Фрадкин Захарович - Белые пятна безбрежного океана
Существует другой способ транспортировки воды, избавленный от всех перечисленных недостатков, - это трубопроводы. Некогда самыми уникальными в мире считались три трубопровода протяженностью 400, 600 и 900 км, снабжавшие пресной водой г. Лос-Анджелес (США). Но сегодня они выглядят весьма скромными сооружениями в сравнении с той единой централизованной системой трубопроводного снабжения, которая создана на целинных земляк Казахстана. Только по землям Северо-Казахстанской области разветвилось 7800 км трубопроводов. К ним добавилось еще 1200 км, охвативших Кокчетавскую, Кустанайскую, Павлодарскую, Тургайскую и Целиноградскую области.
И, наконец, следует сказать еще об одной идее будущего - транспортировке айсбергов. Наибольшую популярность получила идея буксировки из антарктических вод в Австралию, в западные районы Южной Америки и на Средний Восток. Существуют уже чисто инженерные проекты с экономическими обоснованиями. Дело за исполнением.
Можно, однако, предложить более рациональное решение: использовать тепло атома для превращения льда Антарктиды в воду на самом материке, а затем транспортировать воду по трубопроводам, проложенным по дну океана.
Все перечисленные нами виды транспортировки воды имеют общий недостаток: они не увеличивают общего запаса пресной воды, не решают глобальной проблемы назревающего "водного голода".
Опреснение соленых вод
Самое древнее, а в наши дни самое перспективное получение резервов пресной воды - это дистилляция, выпаривание морских вод. Основное достоинство этого способа - неиссякаемый источник - Мировой океан.
Опреснение морской воды заманчиво еще и потому, что в качестве осадков после выпаривания остаются такие ценнейшие вещества, как золото, платина, уран, титан и все прочие элементы, входящие в периодическую систему Д. И. Менделеева. Высокая насыщенность этими веществами отходных рассолов со временем превратит выпаривание не только в источник пресной воды, но и в один из вспомогательных способов добычи редких элементов из океанических вод.
Крупнейшая в мире опреснительная установка была построена в начале 60-х годов в Советском Союзе на берегу Каспийского моря. Ныне она представляет собой уникальный комбинат по производству пресной воды. В ней трудится мирный атом, первый реактор на быстрых нейтронах. В безводной и бесплодной пустыне, щедро снабжаемой живительной влагой, возник город-сад, город-цветник. Он разительно контрастирует с мертвым ландшафтом пустыни, появляется перед взором путника, подобно сказочному оазису. Этот современный город химиков и нефтяников с многотысячным населением назвали именем великого украинского поэта Шевченко. Сегодня на каждого жителя г. Шевченко приходится 400 л опресненной воды в сутки.
Существуют методы опреснения, которые не требуют ни нагревания, ни охлаждения.
Знаете ли вы, как в древности поступал путник, мучимый жаждой и нашедший в безводной пустыне родник с солоноватой, не пригодной для питья водой? Он вырывал поблизости достаточно глубокую яму, и просочившаяся в нее из родничка вода оказывалась достаточно пресной. Секрет очень прост - грунт играл роль своеобразного фильтра и очищал воду не только от грязи, но и от растворенной в ней соли. Как это происходит?
Дело в том что в водном растворе молекулы солей распадаются на ионы - катионы и анионы. Правда, количество диссоциирующихся на ионы молекул для разных солей будет разным. Соли сильных кислот (например, соляная кислота плюс каустик) распадаются на ионы полностью.
А теперь представьте, что и вещество, сквозь которое фильтруется соленая вода, тоже способно диссоциировать в воде. Тогда неизбежна ионообменная реакция между фильтрующим веществом (его называют сорбентом) и раствором соли. Итог реакции - пресная вода.
Существуют естественные сорбенты. Это уже упомянутый нами грунт пустыни. Но естественные сорбенты обладают низкой поглощающей способностью, они дают мало пригодную для питья воду и быстро загрязняются, т. е. теряют очистительную способность.
В этом отношении человек оказался сильнее природы. В химических лабораториях созданы ионообменные смолы - катиониты и аниониты, обеспечивающие полное обессоливание воды. Разумеется, выбор той или иной смолы зависит от типа растворенных в воде солей.
В принципе сорбционный способ опреснения воды подкупающе прост. Но даже лучшие синтетические нониты недостаточно эффективны, они пригодны лишь для малозасоленных вод и не позволяют создать установки промышленного значения, т. е. им не под силу напоить целый город. К тому же эксплуатация сорбционных установок осложняется необходимостью периодической регенерации (восстановления) ионообменных перегородок.
Дальнейшее совершенствование сорбционного способа опреснения привело к созданию электродиализного метода. Мы уже говорили, что в водном растворе соли распадаются на ионы. Так вот, если в таком растворе создать электрическое поле, ионы солей устремятся к катоду и аноду соответственно знаку своих зарядов. Однако в обычном сосуде тенденция к такому направленному движению будет сводиться на нет хаотическим теплым движением молекул растворителя, т. е. самой воды.
Рис. 3. Схема работы многокамерного электродиализатора
Тогда исследователи пошли на хитрость: сосуд, предназначенный для обессоливания, разделили перегородками (диафрагмами), изготовленными из ионообменных смол. Катионитовые и анионитовые диафрагмы чередуются, как это изображено на рис. 3. Диафрагмы не пропускают ни молекул воды, ни ионы солей, пока к ним не присоединяют источник тока. Как только перегородки получат напряжение, катионитовая диафрагма свободно пропустит катионы, но остановит отрицательно заряженные ионы (анионы), Зато анионитовая диафрагма, наоборот, даст путь анионам, но преградит его положительно заряженным частицам (катионам).
Процесс электроионитового опреснения приобретает, таким образом, строго организованный характер. Число камер может быть сколь угодно велико (обычно делают установки на 50-200 камер). Во ионы солей не совершают путешествия через все камеры, в этом нет необходимости. Катион, свободно минуя катионитовую перегородку, будет остановлен в следующей камере анионитовой перегородкой.
Таким образом, из каждой, например четной, камеры ионы солей выбрасываются в нечетные камеры, и в них остается чистейшая вода, которая непрерывным потоком отводится потребителю.
Установки, работающие по описанному способу, называются диализаторами. В нашей стране созданы диализаторы производительностью до 1000 м3/сут пресной воды. В южноафриканском городе Уэнкоме эксплуатируется электродиализная установка производительностью 11000 м3/сут. Теперь почти на всех морских судах имеются опреснительные установки подобного типа, дающие от 1 до 200 т воды в сутки.
Замкнутый кругооборот воды
Идея замкнутого кругооборота в использовании пресной воды давно "стучится в дверь" современной техники очистительных сооружений. Без использования замкнутого кругооборота пресной воды не может быть и речи о дальних космических перелетах, тем более о путешествиях в иные звездные системы. Взять с собой запас питьевой воды на многие месяцы или годы - значит, безнадежно перегрузить космический корабль. Регенерация пресной воды при длительных космических полетах в первом приближении осуществлена уже сегодня. Первые испытания установки для этой цели провели на орбитальной станции "Салют-4" космонавты Алексей Губарев и Георгий Гречко.
Замкнутый кругооборот пресной воды внедрен на многих предприятиях нашей страны, например на автозаводе им. Ленинского комсомола, Камском автозаводе, Челябинском трубопрокатном заводе, Магнитогорском и Карагандинском металлургических комбинатах.
Вода из воздуха
В 1888 г. на раскопках в Феодосии обнаружили сеть водопроводных труб, проложенных много веков назад. Установить назначение труб труда не составило: они подводили воду к 114 фонтанам древнего города. Но откуда подводили?
Трубы брали свое начало... в кучах щебня, сложенных на самых возвышенных местах, где, кроме голого камня да ветров, ничего не было. Объяснение дали физики: пары воды, которые проносил ветер, пронизывая рыхлые кучи, конденсировались и оставляли на камнях мириады капелек воды. Несложный расчет показал, что капельки, сливаясь, низвергали в древнюю Феодосию настоящую реку пресной воды - около 700000 л/сут. Древний, испытанный и основательно забытый способ получения воды из воздуха. Природа постоянно демонстрирует его человечеству, оставляя в предутренние часы росу на траве. Эту самую росу, только искусственным путем, получали не знавшие физики, но весьма наблюдательные феодосийские умельцы. Между тем секрет получения воды весьма прост. За ночь камни и окружающий воздух охлаждались. Днем воздух нагревался быстрее, чем щебенка. Просачиваясь между холодными камнями, ветер оставлял на их поверхности то, что в технике именуют конденсатом. Подсчеты показали, что в центральной полосе СССР ветер, дующий со скоростью 5 м/с, проносит за сутки над участком длиной 100 км и шириной 1 км количество воды, достаточное для заполнения водохранилища длиной 1 км, шириной 5 м и глубиной... 60 м! Знатное получилось бы озерцо. И всего за сутки! А суховей, как это ни парадоксально, несет в себе еще больше воды, поскольку скорость его значительно выше. Он мог бы обильно орошать поля, вместо того чтобы их высушивать.
