Получить воду из воздуха

В номере от 14 ноября в рубрике «Дом в тропиках» я рассказывал о том, как можно охладить помещение, не используя электрические приборы, то бишь без кондиционера и вентилятора. И заинтриговал вас обещанием поведать, как можно в условиях тропиков конденсировать воду из влажного воздуха, причем таким образом, чтобы она была пригодна для питья.

Итак, готовы узнать эту страшную тайну? Тогда еще немного ненадолго вернемся к уроку номер 1: помните, я предлагал в качестве одного из методов охлаждения использовать «холод земли», то есть охлаждать помещение с помощью холодного воздуха из самих недр. Так вот способ это, конечно, хороший, но в условиях тропиков весьма опасный, так как при таким раскладе в итак влажный воздух мы добавим сырости из-под земли. Но и это можно использовать во благо. И сейчас я расскажу, как именно. Есть такой волшебный прибор – AWG (Atmospheric Water Generator) – генератор воды из атмосферы. Он довольно распространен в Таиланде и примечтально, что с его помощью можно убить сразу двух зайцев: убрать влагу из воздуха, которым мы дышим, и добыть питье. Да-да, я не ошибся: сконденсированную воду можно пить!

Конечно, для скептиков это непростое испытание: проглотить то, что «выжал» какой-то аппарат из окружающей среды. Но на самом деле это очень распространенная штука, которая уже есть почти в каждом доме на Пхукете. Дело в том, что эту же функцию – конденсирования воды из атмосферы – выполняет и любой кондиционер. Охлаждая воздух в помещении, эйркон также может работать в режиме «забора лишней влаги». И те самые капли, что порой попадают на вас, когда вы проходите на улице под работающим кондиционером – это та самая вода из воздуха.

Так что все зависит от того, как вы хотите «взаимодействовать» с этим миром. Если вы не готовы перейти на альтернативные источники энергии, то можете продолжить использовать кондиционер, а конденсированную им воду направлять, к примеру, на поливку цветов в саду. Если же вы, как и я, увлечены тем, чтобы снизить энергопотребление, и хотите получать питьевую воду из воздуха, AWG – отличный помощник в этом.

Можно ли пить воздух? Если охладить его всего лишь на 6 – 7 градусов, можно получить воду, более чистую, чем дистиллированная. Современные приборы-генераторы позволяют получать из воздуха методом конденсации от 30 до 10 тысяч литров питьевой воды в сутки.

Ускоряющийся рост населения Земного шара привел к тому, что потребление воды превысило потребление остальных природных ресурсов в 30 раз. Дефицит питьевой воды в отдельных регионах стал угрожать не только экономической, но и политической стабильности многих развивающихся стран.

Запасы пресной влаги на земле сосредоточены в ледяных массивах полярных широт и горных ледников. Добыча из этих источников требует очень высоких энергозатрат. Если добавить к этому загрязнение поверхностных вод деятельностью человека, то справиться с дефицитом питьевых ресурсов можно только за счет новых технологий ее добычи. В этих условиях актуален бизнес по производству бутилированной воды.

Во второй половине 20 века ведущие мировые научные центры начали вести исследовательские работы по добыче воды из альтернативных источников, основным из которых является атмосфера, содержащая 14 000 км³ влаги в виде пара.

Вода из воздуха? Легко

Природа предоставила человеку два способа извлечения влаги из атмосферного воздуха. Первый − это принцип образования росы, а второй − принцип впитывающей губки.

Принцип росы

Технология основана на том, что при снижении температуры воздуха ниже критической происходит конденсация паров воды аналогично образованию росы по утрам. Количество влаги в литрах на 1000 кубометров воздуха при 100% влажности ориентировочно равно числовому показанию температуры. Например, при температуре окружающей среды 20 °С в 1000 м³ воздуха содержится около 20 литров, при влажности 40% ─ 8 литров соответственно и т.д.

Всю воду выкачать из атмосферы невозможно. В пределах разумной экономической эффективности этот процесс реализуется в диапазоне температур окружающей среды от 15 °С до 30 °С при относительной влажности выше 35%. Эти условия характерны для большинства регионов, страдающих от недостатка питьевой влаги.

Технология конденсации паров применена в большинстве генераторов жидкости. Они представляют собой компрессорный холодильник, через испаритель которого прокачивается воздух. Автоматика обеспечивает его охлаждение до температуры ниже точки росы. Сконденсированная влага стекает в водосборник, откуда поступает для потребления. Система фильтров очищает полученную воду от различных примесей и одновременно минерализует ее.

Фото: Аппарат для производства воды из воздуха компании Watergen с сайта производителя

Последние разработки ученых из США в этом направлении базируются на создании специального нановолокна, имеющего высокую удельную площадь поверхности. Мембрана из такой ткани сможет конденсировать до 200 литров/м² чистой влаги в день. В перспективе такая технология может на порядок снизить затраты на ее производство.

Материал в тему: А вы знали, что воду можно продавать через вендинговый автомат?

Принцип губки

В этом случае используются материалы, способные впитывать влагу, как губка. Мы сталкиваемся с одним из них, выбрасывая влажные мешочки с силикагелем из упаковок бытовой техники. Подобный материал для получения чистой воды должен быть безвредным, чтобы избежать затрат на фильтрацию.

Нидерландские ученые разработали полимер, содержащий азот, для покрытия хлопковых волокон. Они активно поглощают атмосферную влагу в количестве, превышающем собственный вес в 3,5 раза. Высвобождается вода при нагреве волокон до 35 °С.

В США ведутся работы по применению органокерамики на базе циркония, имеющей высокую способность поглощать молекулы воды с последующим выделением влаги при нагреве. Для получения жидкой фракции эти технологии требуют конденсации паров путем охлаждения. Их перспективность в том, что новые материалы могут поглощать влагу в ночное время, а днем за счет энергии солнца высвобождать ее, снижая себестоимость процесса.

Современные установки для получения воды из воздуха

Не удивительно, что производятся установки генерации питьевых ресурсов в тех странах, которые испытывают их дефицит. Это Израиль и Индия. Их ученые вносят наибольший вклад в развитие и совершенствование новых технологий.

Фото: генератор воды GEN-M компании Watergen с сайта производителя

Израильская компания Water-Gen разработала и производит на основе технологии конденсации модельный ряд установок.

Таблица 1. Водные генераторы от компании Watergen

Модель	Производительность, литров/сутки	Цена, рубли/доллары	Описание
		93 000 (1500$)	домашняя установка
		1 100 000 (18 000$)	полупромышленная установка для решения оперативных задач по водоснабжению, эти агрегаты использовались на чемпионате мира по футболу в нашей стране, устанавливались возле стадионов
		1 850 000 (30 000$)	промышленная установка для снабжения питьевой водой небольших населенных пунктов

Источник: сайт компании

Сингапурская компания Asian Tiger производит бытовые установки АТ-30L производительностью 30 литров/сутки. Цена 115 000 рублей (1 800 $). Встроенная система нагрева позволяет получать горячую воду для хозяйственных нужд, при этом увеличивается потребляемая мощность установки до 1 кВт.

Для обеспечения питьевой водой небольшой семьи индийская компания Aguaer делает экономичные агрегаты малой производительности до 20 литров/час. Они приспособлены к работе в жарком климате при температурах от 15 °С до 45 °С и влажности от 30% до 100%. Цена такой установки 65 000 рублей (1050 $). В ней предусмотрен нагрев воды до 95 °С в емкости 1,5 литра, что заменяет в быту чайник. Наряду с этим, они выпускают модельный ряд генераторов производительностью от 40 литров/сутки до 10 000 литров/сутки стоимостью от 1500 $ до 150 000 $.

Видео: В Крыму скоро будут добывать воду из воздуха. Видео с канала НТС Севастополь.

А сколько будет стоить вода?

Все присутствующие на рынке генераторы питьевой воды работают по принципу конденсации влаги при прокачке воздуха через компрессорные холодильники. При этом затраты на производство зависят от условий окружающей среды. Чем выше влажность и температура воздуха, тем меньше его надо для получения одинакового количества жидкости. Следовательно, затрачивается меньше энергии на прокачку. А более высокая температура требует больше энергии для охлаждения воздуха до точки росы.

Относительные коэффициенты эффективности работы генераторов воды не зависят от абсолютной производительности. Поэтому энергия, затрачиваемая на производство одного литра чистой воды, одинакова для различных генераторов и колеблется в пределах 0,25 кВт*час-0,35 кВт*час. В переводе на рубли стоимость электроэнергии для одного литра колеблется от 0,88 р. до 1,23 р.

Относительно высокая цена установок ограничивает их использование для индивидуального потребления. Совершенствование технологий получения воды из воздуха в будущем значительно снизит стоимость агрегатов и приведет к их массовому потреблению.

Изобретение относится к способам автономного получения пресной воды питьевого качества из влаги окружающего атмосферного воздуха и может быть использовано в быту и для потребностей народного хозяйства. Техническим результатом изобретения является получение пресной воды при отсутствии или недоступности ее традиционных источников. Способ заключается в том, что формируют поток воздуха, содержащий пары воды, осуществляют искусственное охлаждение потока воздуха и конденсируют пары воды. Получаемые при этом пресную воду-конденсат подают в емкость для сбора воды, а охлажденный воздух — на конденсатор для обеспечения рабочего режима холодильного устройства. Сформированный поток воздуха пропускают через фильтр воздухозаборника в условиях окружающей среды с относительной влажностью от 70 до 100% и температурой от +15 до +50oС, а затем через электростатическое поле. Получаемый охлажденный воздух через соединительную юбку подают на радиатор конденсатора, при этом объем проходящего через радиатор воздуха из условия 20 г влаги на 1 м3 воздуха и среднесуточной производительности установки до 250 л/сутки лежит в пределах 12-13 тыс. м3 в сутки.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к способам автономного получения пресной воды питьевого качества из влаги окружающего атмосферного воздуха и может быть использовано в быту для удовлетворения потребностей населения в очищенной питьевой воде, а также для потребностей народного хозяйства при ее промышленном использовании.

В настоящее время весьма актуальной является задача получения пресной воды при отсутствии или недоступности традиционных источников.

Одним из возможных методов решения проблемы является конденсация воды, содержащейся в атмосферном воздухе.

Так, известен способ и аппарат для удаления воды из воздуха, в котором воду удаляют из воздуха путем повторения четырехстадийного цикла. На первой стадии охлаждают конденсатор аккумуляции тепла холодным воздухом, поступаемым извне, и увлажняют реагент, увеличивающий гигроскопичность. На второй стадии удаляют воду из указанного реагента струей воздуха, нагретого солнечным излучением, и подводят его к конденсатору аккумуляции тепла. На третьей стадии охлаждают дополнительный конденсатор аккумуляции тепла воздухом, поступающим извне, и увлажняют реагент, увеличивающий гигроскопичность. На четвертой стадии удаляют воду из указанного реагента воздухом, нагретым солнечной энергией /патент Франции N 2464337, кл. E 03 B 3/28, 1981/.

Не умаляя достоинства данного способа и устройства для его осуществления, тем не менее необходимо отметить его более сложное исполнение.

Известен способ и устройство для извлечения воды из атмосферного воздуха, одним их которых является воздушно-водяной генератор по патенту США N 5203989 по кл. E 03 B 3/28, 1987.

Согласно данному патенту формируют поток воздуха, содержащего водяные пары, охлаждают его до температуры ниже точки росы, конденсируют водные пары в воду, а обезвоженный воздух выбрасывают в атмосферу.

Известное устройство содержит корпус, в котором установлена холодильная машина и средство транспортирования потока воздуха. Нижняя часть корпуса сообщена со сборником конденсата.

При прокачивании потока атмосферного воздуха, содержащего пары воды, происходит их конденсация на охлаждающем элементе холодильной машины и одновременное охлаждение потока воздуха, который выбрасывается в атмосферу.

Известный способ и устройство характеризуются низкой экономичностью использования холодопроизводительности холодильной машины, так как только незначительная ее часть используется для конденсации паров воды, особенно при малой влажности воздуха. При этом большая часть холодопроизводительности расходуется на охлаждение обезвоженного воздуха, выбрасываемого в атмосферу.

Известен способ извлечения воды из воздуха /WO, 93/04764, кл. E 03 B 3/28, 1993/, заключающийся в том, что формируют поток воздуха, содержащего пары воды, осуществляют искусственное охлаждение потока воздуха на одном участке второго потока, организуют теплопередачу между частями потока воздуха, находящимися по обе стороны от участка искусственного охлаждения, конденсируют пары воды в той части потока воздуха, температура которой ниже точки росы, и выбрасывают обезвоженный воздух в атмосферу.

В известном способе осуществляется однократное предварительное охлаждение входящего потока воздуха выходящим, что позволяет улучшить эффективность использования холодопроизводительности холодильной машины.

Одновременно сложная траектория движения потока воздуха создает большое газодинамическое сопротивление.

Известна установка для получения пресной воды из влажного воздуха, в работе которой используется солнечная энергия /DE 3313711, кл. E 03 B 3/28, 1984/.

За счет электроэнергии, получаемой от солнечных батарей, холодильный агрегат производит холод, который выделяется на теплообменнике-испарителе. Влажный воздух с помощью вентилятора продувается через воздуховод, в котором расположен испаритель. В результате контакта с поверхностью теплообменника-испарителя воздух охлаждается, содержащийся в нем пар становится насыщенным, частично конденсируется на поверхности теплообменника и стекает в водосборник.

Недостатками данной установки являются большие энергозатраты и низкая производительность.

Известна установка, в которой осуществляется аккумуляция холода для его использования в ночное время /EР 0430838, кл. E 03 B 3/28, 1991/.

В светлое время суток электроэнергия от солнечных батарей поступает на холодильный агрегат, который вырабатывает холод. С помощью вентиля холодильный агрегат подключается к термоизолированной емкости. Находящаяся в ней жидкость с помощью гидронасоса прокачивается через холодильный агрегат и охлаждается, в результате в термоизолированной емкости аккумулируется холод. Затем термоизолированная емкость с помощью вентиля отключается от холодильного агрегата и подключается к теплообменнику-конденсатору. Когда влажность воздуха достигает величины, близкой к 100%, включаются гидронасос и вентилятор. С их помощью холодная жидкость и влажный воздух пропускаются через конденсатор. Содержащийся в воздухе водяной пар конденсируется на его поверхности, а находящиеся в нем капли улавливаются каплеуловителем и захваченная влага стекает в водосборник.

Недостатком данной установки является необходимость расходования энергии и отсутствие автономности при работе установки.

Известно устройство для получения пресной воды, содержащее теплообменную поверхность, на которой конденсируется влага из наружного атмосферного воздуха и выпавший конденсат собирается в сосуде для сбора конденсата. Устройство содержит генератор энергии ветра для приведения в действие циркуляционной установки, отводящей тепло. Теплообменная поверхность и генератор энергии ветра расположены на плавучей опорной конструкции. Циркуляционная установка, отводящая тепло, имеет теплообменник, расположенный на определенном расстоянии ниже поверхности воды для использования холода глубинных слоев воды /заявка ФРГ N 3319975, кл. E 03 B 3/28, 1984/.

Недостатком этого устройства является наличие генератора энергии ветра, что приводит к сложности конструкции и снижает надежность действия, затрудняет обслуживание. Применение замкнутой системы циркуляции охлаждающей воды и расположение теплообменника в пределах глубины погружения плавучей опорной конструкции не позволяет обеспечить охлаждение циркулирующей воды до низких температур, что снижает эффективность действия устройства в целом и не позволяет обеспечить высокую его производительность.

Известно устройство для конденсирования росы, содержащее опору, на которой расположена конденсирующая поверхность. Поверхность электрически излирована от грунта, что обеспечивает создание на поверхности электростатического заряда. При определенных климатических условиях на поверхности конденсируется находящаяся в воздухе влага. Имеются сборник, в который с поверхности стекает конденсат, а также устройство для перекачивания конденсата в резервуар. В одной из конструкций конденсирующая поверхность выполнена в виде вертикального металлического листа, а сборником является канал вдоль кромки листа. Лист может поворачиваться вокруг опоры для установки по ветру. В другой конструкции конденсирующая поверхность выполнена в виде перевернутого конуса, разделенного на треугольные сегменты. Площадь поверхности может быть увеличена ребрами. Резервуар, который можно устанавливать под землей, может иметь пластмассовый мешок из проницаемого материала. Мешок надевают на нижний конец трубы подачи конденсата из сборника /GB 1603661, кл. E 03 B 3/28, 1981/.

Однако данное устройство недостаточно эффективно в эксплуатации ввиду большой его металлоемкости.

Наиболее близким техническим решением к заявленному по совокупности признаков является способ получения воды из воздуха, заключающийся в том, что формируют поток воздуха, содержащего пары воды, осуществляют искусственное охлаждение потока воздуха, конденсируют пары воды и получаемую при этом пресную воду-конденсат подают в емкость для сбора воды /RU 2081256, кл. E 03 B 3/28, 1997/.

Не умаляя достоинства ближайшего способа и устройства для его осуществления, заявленный способ все же является наиболее промышленно применимым, поскольку обладает рядом преимуществ по сравнению с известными традиционными способами и установками для их осуществления для получения воды из воздуха, а именно:
— дает воду высокого (дождевого) качества, которая может долго храниться;
— обеспечивает экологическую чистоту эксплуатации;
— установка для осуществления способа транспортабельна, проста и долговечна в работе, имеет вес 60 кг, небольшие габариты и стоимость.

Задачей изобретения является получение пресной воды при отсутствии или недоступности традиционных источников конденсации воды, содержащейся в атмосферном воздухе.

Задача решается за счет того, что в способе получения воды из воздуха, заключающемся в том, что формируют поток воздуха, содержащего пары воды, осуществляют искусственное охлаждение потока воздуха, конденсируют пары воды и подают получаемые при этом пресную воду-конденсат — в емкость для сбора воды, а охлажденный воздух — на конденсатор для обеспечения рабочего режима холодильного устройства, сформированный поток воздуха пропускают через фильтр воздухозаборника в условиях окружающей среды с относительной влажностью от 70 до 100% и температурой от +15 до +50oC, а затем через электростатическое поле получаемый охлажденный воздух через соединительную юбку подают на радиатор конденсатора, при этом объем проходящего через радиатор воздуха из условия 20 г влаги на 1 м3 воздуха и среднесуточной производительности установки до 250 л/сутки лежит в пределах 12-13 тыс. м3 в сутки.

Способ реализуется следующим образом: принудительно, например, вентилятором, формируют поток атмосферного воздуха, содержащего пары воды, который, пройдя через фильтр воздухозаборника и электростатическое поле с напряженностью электрического поля E=1,5 B, поступает в конденсатор, где охлаждается ниже точки росы. Полученная при этом пресная вода-конденсат стекает по поддону в емкость для сбора воды. Охлажденный воздух через соединительную юбку подается на радиатор конденсатора для обеспечения рабочего режима холодильного устройства.

Нормальная работа способа получения воды из воздуха происходит при следующих основных условиях окружающей среды:
— относительная влажность от 70 до 100%;
— температура от +15 до +50oC.

Более эффективно получение воды из воздуха происходит в среде с повышенной абсолютной влажностью воздуха и значительным суточным перепадом температуры.

Предельными (нерабочими) условиями способа добычи воды из воздуха и установки для осуществления способа, при которых должна быть прекращена его эксплуатация, являются:
— понижение температуры окружающего воздуха ниже +15oC;
— повышение температуры окружающего воздуха выше +50oC;
— понижение влажности окружающего воздуха ниже 70% при +20oC;
— повышение запыленности окружающего воздуха свыше 0,5 г/м3;
— отклонение корпуса конденсатора от вертикали на угол свыше 5o.

Если способ добычи воды происходит непосредственно у моря, в хвойном лесу или на цветочном лугу, то получаемая вода будет обладать целебными свойствами.

Минерализация получаемой воды достигается двумя путями. Простая минерализация — путем помещения куска известняка в поддон или емкость для сбора воды, с заменой известняка раз в пять лет. Сложная минерализация (для создания программируемого минерального состава) — путем ввода в конструкцию микропроцессора и емкостей с солями.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения воды из воздуха, заключающийся в том, что формируют поток воздуха, содержащего пары воды, осуществляют искусственное охлаждение потока воздуха, конденсируют пары воды и подают получаемые при этом пресную воду-конденсат — в емкость для сбора воды, а охлажденный воздух — на конденсатор для обеспечения рабочего режима холодильного устройства, отличающийся тем, что сформированный поток воздуха пропускают через фильтр воздухозаборника в условиях окружающей среды с относительной влажностью от 70 до 100% и температурой от +15 до +50oC, а затем через электростатическое поле, получаемый охлажденный воздух через соединительную юбку подают на радиатор конденсатора, при этом объем проходящего через радиатор воздуха из условия 20 г влаги на 1 м3 воздуха и среднесуточной производительности установки до 250 л/сутки лежит в пределах 12 — 13 тыс.м3 в сутки.

Дата публикации 22.02.2007гг

Физики из Калифорнийского университета в Беркли и Массачусетского технологического института (MIT) создали гаджет, который может извлекать воду из сухого воздуха засушливых регионов мира, используя лишь энергию солнца.
«Наша мечта – создание полностью автономных домов, способных обеспечивать себя водой, используя такие приборы, питающиеся энергией солнца. Наш эксперимент сделал это возможным. Можно сказать, мы сделали шаг к созданию «персонализированной» воды», — рассказывает один из авторов исследования Омар Яги (Omar Yaghi).
Проблема доступа к воде становится всё более острой для Земли — по оценкам ООН, к 2025 году она коснется более 14% жителей планеты. На сегодняшний день существует несколько десятков методов и технологий опреснения морской воды, некоторые из которых даже применяются в промышленных масштабах в богатых арабских странах, сообщает РИА Новости.
Все эти методики опреснения имеют два главных недостатка – они или слишком дороги и энергозатратны, или же системы очистки быстро засоряются и приходят в негодность. Всё это делает опреснение бессмысленным с экономической точки зрения. Яги и его коллеги предлагают альтернативный метод получения чистой питьевой воды, реализовав идею, которая раньше встречалась только на страницах научно-фантастических романов и фильмов. Им удалось создать систему, которая извлекает воду из воздуха, используя так называемые металл-органические каркасы (МОК).
МОК представляют собой сложные полимерные материалы, похожие по структуре на пчелиные соты и обладающие очень высокой пористостью и прочностью. Сегодня они используются для создания фильтров, способных улавливать углекислоту или водород и удерживать в себе огромные количества этих газов. Яги, один из первооткрывателей МОК, два года назад обнаружил, что подобный материал, состоящий из циркония и адипиновой кислоты, средства для удаления накипи, поглощает не водород, метан или другие виды газов, а молекулы воды. Это натолкнуло его на мысль, что каркасы можно использовать для извлечения воды из воздуха.
Руководствуясь этой идеей, он объединил усилия с инженерами из MIT, и вместе они создали достаточно простой и дешевый «генератор воды». Работает он крайне примитивно – «песок» из частиц МОК поглощает воду из воздуха, а свет и тепло солнца, направляемые на него системой зеркал, заставляют пары воды покинуть их и сконденсироваться в сосуде, подключенном к этому опреснителю.

Подобное устройство, содержащее в себе килограмм МОК, может вырабатывать около трёх литров воды за полдня даже из достаточно сухого воздуха (при влажности 20-30%). В принципе, этого хватает для того, чтобы обеспечить человека необходимым количеством питьевой воды на сутки.
По словам Яги, структуру МОК можно оптимизировать, и он станет поглощать в два раза больше воды, чем сейчас. Как надеются учёные, этот материал и его новые версии, а также «промышленные» генераторы, прогоняющие воздух под давлением, помогут решить проблему с доступом к чистой воде в самых засушливых уголках мира.
Результаты исследования опубликованы в научном издании Science

Кстати, ранее мы рассказывали о другой системе очистки воды на солнечной энергии. Тем временем новосибирские учёные представили новый дешёвый способ получения чистой воды.