Сбрасываемые шахтные, карьерные и промышленные воды загрязнены взвешенными веществами, бактериальными примесями, минеральными солями, в том числе на основе тяжелых металлов (цинк, железо, ванадий, свинец, медь, хром, никель, кобальт и др.), из-за чего в водоемы и реки ежегодно поступает до 2,7 млн. т минеральных солей. Известно, что 95% шахтных вод Донбасса являются солоноватыми или солеными с жёсткостью более 0,014 кг-экв/м³. Содержание растворенных солей в шахтных водах изменяется в широких пределах от 1,5 до 30,0 кг/м³. Прямой сброс соленых вод приводит к существенному экологическому ущербу, связанному с деградацией качества воды естественных источников и засолением почв. Поэтому деминерализация соленых вод является крупной экологической и народно-хозяйственной проблемой и в государственной программе «Донецкая область- 2010» соответствующее научное направление признано приоритетным в области охраны окружающей природной среды [1].

В настоящее время в существующих проектах деминерализационных установок преимущественно используются процессы дистиляции, обратного осмоса и электродиализа. Дистилляция является энергетически одним из самых неэкономных методов очистки. Исключительный недостаток методов обратного осмоса и электродиализа заключается в отравлении мембран частицами, присутствующими в соленой воде, что требует частой замены мембран, а их стоимость достаточно велика.

Деминерализация воды может производиться и за счёт вымораживания. Именно этот процесс деминерализации представляет особый интерес для многих отраслей промышленности, где требуется очистка воды от минеральных солей или получение питьевой воды высокого качества. Этот метод также наиболее перспективен для получения питьевой воды из морской в прибрежных и пустынных зонах различных регионов мира.

Процесс опреснения солёных вод вымораживанием основан на охлаждении воды до температуры ниже 0°С, её замораживании и выделении кристалов льда, которые не содержат соли. Физические принципы, реализованные процессом деминерализации солёной воды вымораживанием, обуславливают ряд его преимуществ. В частности, количество тепла, необходимое для получения 1 кг чистой воды вымораживанием в 7 раз меньше, чем при выпаривании или дистиляции. Деминерализация вымораживанием нечувствительна к минеральному составу исходной воды, показатель качества питьевой воды по сухому остатку (менее 1,0 кг солей на 1 м³воды) может быть достигнут во всех случаях. Среди методов опреснения солёной воды вымораживанием наиболее распространены методы деминерализации с теплообменом через охлаждающую стенку, замораживанием воды в вакууме и прямое замораживание солёной воды хладагентом.

В первом случае возможна сравнительно простая техническая реализация, однако метод обладает низкой эффективностью, т.к. удельное энергопотребление составляет 70 – 110 МДж/м³. Установки замораживания воды в вакууме технически достаточно сложны и требуют поддержания вакуума (420 Па) в больших объёмах. Вакуумный опреснитель фирмы Колт (США) при производительности 400 м³/сут пресной воды имеет энергопотребление 40 – 45 МДж на 1 м³ опресненной воды. Общим недостатком данного метода являются весьма большие габариты замораживателя и связанные с этим технические сложности поддержания в столь крупной системе глубокого вакуума [2].

Наиболее перспективным способом опреснения воды является контактное замораживание с помощью хладагента, не смешивающегося с водой. В качестве агента используют нерастворимые в воде бутан, изобутан, метиленхлорид, фреоны (R114, R115, RC -318). В частности, опреснитель фирм Струзерс, Блоу-Нокс (США) работает по двухступенчатому холодильному циклу с изобутаном в качестве холодильного агента. Благодаря контактной теплопередаче с малой разницей температур (1 - 2)°С между изобутаном и водой при замораживании достигается высокое энергетическое совершенство установки и низкая стоимость. Энергозатраты при производительности 19000 м³/сут составляют 27 МДж/м³. При невысокой стоимости электроэнергии такой опреснитель производительностью до 500000 м³/сут конкуретноспособен с дистилляционной установкой, потребляющей дешёвый пар низкотемпературного ядерного реактора [2,3].

На наш взгляд, основными сдерживающими факторами внедрения способов деминерализации соленых вод вымораживанием является техническая сложность и высокая стоимость соответствующих холодильных систем, основанных на применении крупных компрессорных установок, и использование экологически опасных агентов фреонов).

За последние 20 лет в мире суммарная производительность опреснительных установок увеличилась более чем в 50 раз. При этом наблюдается тенденция создания как крупных опреснительных систем с производительностью 500000 м³/сут и более, так и средних и малых установок для нужд сельского хозяйства и получения пресной воды из морской или соленой воды, поступающей из глубинных скважин. Пока сохраняется ориентация на применение более простых и технологически отработанных дистиляторных опреснительных установок. В условиях экологического кризиса одним из возможных направлений очистки сточных вод может являться их деминерализация вымораживанием в случае создания технически простых и недорогостоящих холодильных систем.

В основу предложенных технических решений по деминерализации соленых вод вымораживанием положено применение принципиально новых систем контактного замораживания, основанных на совмещении термодинамических холодильных процессов в одном теплообменном аппарате и использовании гидравлических принципов действия [4]. В такой опреснительной холодильной установке применена в качестве компрессора гидравлическая система с высоким напором воды (от 2,0 до 5,0 МПа ). Данная установка представляет собой систему холодильных элементов (специальных теплообменников высокого давления), подключенных вентилями к трубопроводам соленой и пресной воды. Работа вентилей осуществляется под действием микропроцессорной системы контроля и управления с электрическим или гидравлическим приводом вентилей и задвижек.

Опреснительная установка работает по двухступенчатому холодильному циклу. В верхней ступени используется серийная холодильная машина, обеспечивающая диапазон работы по температуре хладоносителя от –2 до +10 °С. В нижней ступени используется холодильный элемент, обеспечивающий контактное замораживание с помощью хладагента, не смешивающегося с водой. В качестве хладагента предусмотрено применение этана. Термодинамический цикл этана в данном процессе имеет следующие параметры: температура испарения -5°С, температура конденсации - +2°С. Устройство опреснительной установки упрощенно изображено на рисунке 1.

Технология опреснения солёной воды заключается в следующем. Исходный солёный раствор после очистки от механических и коллоидных примесей забирают из резервуара, деаэрируют, охлаждают в теплообменнике выходящим холодным крепким раствором и пресной водой, и направляют в ёмкость 4, предварительно повысив давление воды в насосе высокого давления. В ёмкости 4 с соленой водой поддерживается давление равное или ниже давления испарения этана при температуре -5°С (низкое давление P₀=20 бар). В ёмкости 4 с пресной водой поддерживается давление равное или выше давления конденсации этана при температуре +2°С (высокое давление P_Н=27 бар). Дальнейшие процессы работы установки обеспечиваются в холодильном элементе 1, представляющем собой специальный теплообменник высокого давления, который периодически выполняет функции кристаллизатора-испарителя и конденсатора-плавителя. В данный элемент периодически подается то соленая вода при высоком давлении, то пресная вода при низком. Это позволяет обеспечить цикличность процессов испарения и конденсации этана в холодильном элементе. Совмещая эти процессы во времени с вымораживанием воды из соленого раствора, промывкой и плавлением кристаллов льда и регенерацией тепла, обеспечивают периодическую работу установки.

В целом непрерывное опреснение соленой воды и работа деминерализационной установки осуществляется совмещением цикличных термодинамических процессов с периодической подачей и отводом солёной и пресной воды в целом ряде параллельно подключённых холодильных элементов, работающих в противофазе.

1 - холодильный элемент; 2 – задвижки клапанной системы; 3 - теплообменники; 4 - сосуды высокого давления; 5 - насосы; 6 – деаэратор; 7 – дегазатор; 8 – испаритель холодильной машины; 9 - трубопроводы пресной воды; 10 - трубопроводы соленой воды; 11 – выход опресненной воды; 12 - места подключения холодильных элементов; 13 – подача исходного соленого раствора; 14 – выход крепкого раствора.

В данной опреснительной установке можно выделить два основных устройства: систему привода и холодильные элементы, в которых происходят процессы замораживания и опреснения воды.

Система привода представляет собой микропроцессорную систему контроля и управления, которая состоит из насосов, электромагнитных и гидравлических клапанов, датчиков давления, температуры и уровня, микропроцессора и аппаратов привода клапанов. Аналогичная система используется в шахтных трубчатых питателях, позволяющих за счет гидравлического давления столба воды, подаваемой в шахту, осуществлять подъем воды на поверхность. Такие питатели выпускают германские фирмы для гидротранспортирования пульпы, для систем кондиционирования воздуха с целью снижения давления хладоносителя во вторичной сети и для регенерации гидравлической энергии. Холодильные элементы представлют собой тепообменники, выполненные в виде сосудов высокого давления, практически не имеющих технологически сложных элементов. Каждый холодильный элемент рассчитан на работу при давлениях до 50 МПа. Их через управляемые вентили периодически подключают к трубопроводам высокого и низкого давления, чем обеспечивают циклически повторяемые процессы конденсации и испарения этана в холодильных элементах.

Ниже приведены некоторые технические данные одного из вариантов опреснительной установки небольшой производительности.

Из аналогичных блоков могут быть скомпонованы опреснительные установки различной производительности, которые будут характеризоваться:

- простотой конструкции, обусловленной отсутствием компрессора в обычном понимании и выполнением термодинамических процессов в одном теплообменном аппарате, который периодически выполняет функции кристаллизатора-испарителя и конденсатора-плавителя;

- использованием для работы экологически безопасных хладагентов, в частности, этана, углекислоты и т.д., обладающих небольшим удельным объемом паров в данном рабочем интервале температур;

- возможностью обеспечения практически любой степени сжатия хладагента;

- повышенной надежностью и низкой стоимостью;

- высокой экономичностью в связи с изотермическим сжатием хладагента, интенсивным контактным и регенеративным теплообменом и т. д.

- экономичностью при небольших мощностях.

В целом, на основе описанных холодильных систем возможно создание деминерализационных установок, имеющих высокие технико-энергетические показатели. В Донецком государственном техническом университете проводятся работы по разработке макетных и экспериментальных образцов данных технических систем.