ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ TOMEAΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΜΟΝΑΔΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Δ. Ξεύγενος, Π. Μιχαηλίδης, Κ. Δημόπουλος, Μ. Λοϊζίδου Δημήτρης Ξεύγενος, Υποψήφιος Διδάκτωρ ΕΜΠ 1
ΕΙΣΑΓΩΓΗ (1/3) Η διαθεσιμότητα πόσιμου νερού ήδη βρίσκεται υπό πίεση και αναμένεται πως θα οξυνθεί τόσο από το φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής όσο και από την αύξηση του πληθυσμού. Πηγή: http://www.un.org/millenniumgoals/environ.shtml 2
ΕΙΣΑΓΩΓΗ (2/3) Fresh Water Availability (2007) Fresh Water Availability ( 2025) Πηγή: World Resources Institute (WRI, 2008) Σύμφωνα με μελέτες, μέχρι το 2030 και λαμβάνοντας ως δεδομένο ετήσια αύξηση της κατανάλωσης νερού ίση προς τη μέση ετήσια αύξηση των τελευταίων ετών, προβλέπεται από διάφορους οργανισμούς έλλειμμα στο ισοζύγιο ζήτησης-προσφοράς πόσιμου νερού ίσο προς 40%. Πηγή: Water Resources Group (WRG, 2010) 3
ΕΙΣΑΓΩΓΗ (3/3) Η αφαλάτωση αναγνωρίζεται ως μία πολλά υποσχόμενη λύση για την καταπολέμηση αυτής της επερχόμενης πρόκλησης. Ωστόσο, υπάρχουν ζητήματα που δεν έχουν επιλυθεί και προκαλούν σοβαρές ανησυχίες, με σημαντικότερο την περιβαλλοντική όχληση που προκαλεί το υγρό υπόλειμμα (άλμη) το οποίο διατίθεται σε υδάτινους αποδέκτες. Κυρίαρχη τεχνολογία αφαλάτωσης σήμερα τόσο σε εθνικό όσο και σε παγκόσμιο επίπεδο είναι η τεχνική της αντίστροφης όσμωσης. Ας δούμε ένα τυπικό παράδειγμα μονάδας αντίστροφης όσμωσης: - Δυναμικότητα: 1,000 m 3 /day (πόσιμο νερό) - Συντελεστής ανάκτησης: 30% (ποσοστό πόσιμου νερού προς τροφοδοσία) - Τροφοδοσία: 3,000 m 3 /day (θαλασσινό νερό) - Άλμη: 2,000 m 3 /day (θαλασσινό νερό) Συνεπώς, για κάθε 1,000 m 3 πόσιμου νερού που παράγομαι, πρέπει να διαχειριστούμε 2,000 m 3 άλμης! 4
ΚΑΙΝΟΤΟΜΙΑ ΕΡΓΟΥ(1/2) Η ολοκληρωμένη διαχείριση των υγρών αποβλήτων πρέπει να ενσωματώνει προηγμένες πρακτικές & τεχνολογία αιχμής (State-of-the-Art technology) αλλά επίσης και να είναι σύμφωνη με τις περιβαλλοντικές πολιτικές που αναπτύσσονται σε Εθνικό, Ευρωπαϊκό και παγκόσμιο επίπεδο. Η προϋπόθεση αυτή θεωρείται απαραίτητη δεδομένου ότι η αειφόρος ανάπτυξη στηρίζεται σε τρεις επιμέρους συνιστώσες, την οικονομική, την κοινωνική και την περιβαλλοντική, οι οποίες πρέπει να εξετάζονται ταυτόχρονα και ισόρροπα. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, κατά τη φάση σχεδιασμού του συστήματος αναζητήθηκαν και αποτυπώθηκαν τα συστήματα που έχουν αναπτυχθεί παγκοσμίως (SoA & emerging technologies) στον τομέα επεξεργασίας της άλμης. Επίσης, εξετάστηκαν οι Βέλτιστες Διαθέσιμες Τεχνικές (Best Available Technologies, BATs) στον τομέα διαχείρισης των υγρών αποβλήτων. Υπάρχει σαφής κατεύθυνση προς την ανάπτυξη συστημάτων μηδενικής απόρριψης υγρών αποβλήτων (Zero Liquid Discharge, ZLD) 5
ΚΑΙΝΟΤΟΜΙΑ ΕΡΓΟΥ(2/2) Ολική εξάλειψη της άλμης μονάδων αφαλάτωσης. Το σύστημα έχει σχεδιαστεί και αναπτυχθεί σύμφωνα με την αρχή μηδενικής απόρριψης αποβλήτων (ZLD). Ανάκτηση νερού (>90%). Σχεδιασμός σύμφωνος με την τήρηση της Ευρωπαϊκής Οδηγίας Πλαίσιο 2000/60/EC για τα ύδατα (επιφανειακά, παράκτια, υπόγεια) Παραγωγή χρήσιμων τελικών προϊόντων (άλατος εμπορικής αξίας, νερού κατάλληλο για πόση-ύδρευση- άρδευση) Εφαρμογή χημικών διεργασιών (εξάτμιση, κρυστάλλωση, ξήρανση, συμπύκνωση) σε συνδυασμό με ηλιακή ανανεώσιμη ενέργεια Πλήρης ενεργειακή αυτονομία του συστήματος, εξοικονόμηση καυσίμων και ενέργειας, μείωση εκπομπών CO2 6
ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΑΛΜΗΣ (1/11) Ενεργειακή τροφοδοσία συστήματος από ΑΠΕ Κύριες συνιστώσες του συστήματος 7
ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΑΛΜΗΣ (2/11) 8
ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΑΛΜΗΣ (3/11) Εξατμιστήρας: Λειτουργία: αύξηση της συγκέντρωσης του ρεύματος της άλμης. Κατ ουσίαν λειτουργεί σαν μία «δεύτερη μονάδα αφαλάτωσης» τοποθετημένη σε σειρά με την υφιστάμενη μονάδα αντίστροφης όσμωσης. Η διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι η μονάδα έχει ως πρωταρχικό στόχο τη συμπύκνωση της άλμης και κατ επέκταση την παραγωγή πόσιμου νερού. Τύπος: Πολυβάθμια εξάτμιση υπό κενό (Multiple Effect Distillation, MED) Αριθμός βαθμίδων: 2 9
ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΑΛΜΗΣ (3/11) 10
ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΑΛΜΗΣ (4/11) Photos Εικόνα: Εσωτερική άποψη Εικόνα: Μεταφορά εξατμιστήρα από εγκαταστάσεις εργολάβου 11
ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΑΛΜΗΣ (5/11) 12
ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΑΛΜΗΣ (6/11) Κρυσταλλωτήρας: Λειτουργία: Αποτελεί το δεύτερο στάδιο επεξεργασίας και η λειτουργία του είναι διαλείποντος έργου (batch operation). Η συμπυκνωμένη άλμη από τον εξατμιστήρα καταθλίβεται με τη χρήση αντλιών προς τον κρυσταλλωτήρα. Ο κρυσταλλωτήρας αποτελεί μονοβάθμιο σύστημα εξάτμισης υπό κενό (κανονική πίεση λειτουργίας: 0.05bar(a)). Με στόχο την περαιτέρω αύξηση της ενεργειακής αποδοτικότητας του συστήματος, ο κρυσταλλωτήρας είναι εφοδιασμένος με αντλία θερμότητας (χρήση ψυκτικού υγρού) με την οποία πραγματοποιείται εξοικονόμηση ενέργειας και αξιοποίηση της λανθάνουσας θερμότητας του παραγόμενου ατμού. Σημειώνεται ότι από τη λειτουργία του κρυσταλλωτήρα παράγονται δύο ρεύματα: (α) Ένα ρεύμα καθαρού νερού (τελικό προϊόν) και (β) Ένα ρεύμα ιλύος (υπόλειμμα κρυστάλλωσης), το οποίο οδηγείται προς το επόμενο στάδιο επεξεργασίας (ξηραντήρας). 13
ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΑΛΜΗΣ (6/11) 14
ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΑΛΜΗΣ (7/11) Από Εξατμιστήρα Υπόλειμμα κρυστάλλωσης (ιλύς) Προς Ξηραντήρα Αποσταγμένο νερό 15
ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΑΛΜΗΣ (8/11) 16
ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΑΛΜΗΣ (9/11) 3. Ηλιακό ξηραντήριο Το ρεύμα υψηλής συγκέντρωσης σε αλάτι από τον κρυσταλλωτήρα έχει υψηλά επίπεδα υγρασίας (~50%) και γι αυτό απαιτείται η χρήση μονάδας ξήρανσης. 17
ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΑΛΜΗΣ (10/11) 18
ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΑΛΜΗΣ (11/11) Θερμική ενέργεια: Οι συλλέκτες παράγουν ζεστό νερό στους 80 ο C και έχουν ονομαστική ισχύ 10 KW. Σημειώνεται πως το σύστημα αυτό αποτελείται από 17 συλλέκτες και έχει ειδικό σχεδιασμό. Προσομοιάζουν στους στατικούς παραβολικούς συλλέκτες τύπου Compound Parabolic Collectors (CPC). Ωστόσο, διαφοροποιούνται σημαντικά στο τμήμα απορρόφησης της ακτινοβολίας (δέκτης ηλιακού συλλέκτη), όπου η ροή του εργαζόμενου μέσου πραγματοποιείται σε δακτύλιο μεταξύ δύο ομόκεντρων σωλήνων και όχι εντός αγωγού όπως συμβαίνει με τους συνηθισμένους συλλέκτες CPC. 19
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ (1/2) Για την ποιοτική και ποσοτική στοιχειακή ανάλυση του ξηρού υπολείμματος της κρυστάλλωσης (έξοδος ξηραντήρα), χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος φασματοσκοπίας φθορισμού ακτίνων Χ (XRF) και περίθλασης ακτίνων Χ (XRay Difractometer). Οι συσκευές που χρησιμοποιηθήκαν ήταν τύπου Arl Advant Xp (για τη μέθοδο XRF) και SIEMENS D5000 X-Ray Diffractometer (για τη μέθοδο XRD). 20
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ (2/2) Αποτελέσματα αναλυσης XRD Τα δείγματα προετοιμάστηκαν (λειοτριβημένα σε μορφή πούδρας) και εισήχθησαν στο δειγματοφορέα. Η ανάλυση βασίζεται στη σύγκριση των κορυφών του διαγράμματος με αντίστοιχες πρότυπες κορυφές που είναι αρχειοθετημένες στο λογισμικό του οργάνου (Joint Committee on Powder Diffraction Standards, JCPDS). Η θέση των χαρακτηριστικών κορυφών που εμφανίζονται, οδηγεί στην ταυτοποίηση των στοιχείων που περιέχονται στο δείγμα. 21
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η διάθεση της άλμης σε επιφανειακά ύδατα (ποτάμια, θάλασσα) και γενικά σε παρακείμενους υδάτινους αποδέκτες αποτελεί μία μη αειφόρο πρακτική. Σύμφωνα με τα συμπεράσματα της μελέτης, τα συστήματα μηδενικής απόρριψης υγρών αποβλήτων (Zero Liquid Discharge systems) μπορούν να αποτελέσουν μία άρτια τεχνική λύση. Επίσης, από τις αναλύσεις των πρώτων δειγμάτων που λήφθηκαν κατά την προκαταρκτική λειτουργία του πιλοτικού συστήματος, φαίνεται πως τα στερεά άλατα περιλαμβάνουν κυρίως άλατα τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για βιομηχανική χρήση (όπως θειικό ασβέστιο - CaSO 4 και ανθρακικό ασβέστιο - CaCO 3 ). 22
Conference invitation (1/2) Στα πλαίσια του Ερευνητικού Προγράμματος SOL-BRINE, διοργανώνεται Διεθνές Συνέδριο στην Τήνο, στις 19-21 Σεπτεμβρίου 2013. Για περισσότερες πληροφορίες μπορείτε να επισκεφθείτε την ιστοσελίδα του συνεδρίου: http://win4life.uest.gr/index.php/en/ 23
Conference invitation (2/2) Υπάρχει ανοικτή πρόσκληση για την υποβολή περιλήψεων μέχρι τις 28.05.2013. Μια σειρά από άρθρα θα δημοσιευτούν σε ειδικά αφιερωμένη έκδοση του επιστημονικού περιοδικού «Desalination and Water Treatment». 24
Ευχαριστώ πολύ για την προσοχή σας! Δημήτρης Ξεύγενος National Technical University of Athens School of Chemical Engineering Unit of Environmental Science and Technology d.xevgenos@gmail.com www.uest.gr Tel: 2107723108 Fax: 2107723285