Водопровод-опреснитель

Во многих странах водопроводная питьевая вода — роскошь, доступная немногим; даже в Англии она обходится все дороже. Дедал вспоминает о предложении экономить пресную воду, прокладывая параллельно две трубы, по одной из которых подается морская вода для хозяйственных нужд. Теперь Дедал придумал более совершенную конструкцию, основанную иа известном свойстве габардиновых плащей задерживать воду, но пропускать водяные пары. Дедал предлагает разделить водопроводную трубу на два «этажа» горизонтальной габардиновой перегородкой и пустить по верхней половине морскую воду, а по нижней — пресную. Водонепроницаемая перегородка надежно отделит пресную воду от морской. Однако если температура морской воды выше, чем у пресной, хотя бы на 0,4°C, то давление ее паров превысит давление паров пресной воды и чистый водяной пар начнет просачиваться сквозь габардиновую перегородку в полость с пресной водой, пополняя ее запас. Разность температур в 0,4°C (и больше) между верхней и нижней частями трубы поддерживать нетрудно: надо проложить трубу так, чтобы нижняя ее половина находилась в грунте, а верхняя омывалась теплым приземным воздухом.

Водопровод-опреснитель

Многие тысячи километров таких труб, входящих в государственную систему водоснабжения, будут играть роль огромного рассредоточенного опреснителя, не требующего топлива. Соленая вода, поступающая в этот водопровод, по пути опресняется и доставляется потребителям. (Наряду с пресной водой потребители будут также в обязательном порядке получать крепкий рассол, который можно использовать для хозяйственных нужд, например в туалетах.) Дедал разрабатывает также проект аналогичного опреснителя для морских путешествий. Опреснитель представляет собой просто габардиновую байдарку, буксируемую в ночное время за кораблем. Небольшие объекты, находящиеся на открытом воздухе, испытывают в ночное время интенсивное радиационное охлаждение, тогда как температура моря вследствие огромной тепловой инерции днем и ночью отличается незначительно. Поэтому водяной пар будет проникать сквозь ткань и конденсироваться в байдарке в пресную воду, которую выкачивают оттуда на рассвете. Чрезмерно высокая эффективность подобной конструкции может, однако, привести к печальным последствиям: за ночь в лодку наберется так много воды, что она затонет.

New Scientist, August 9, 1979

Бытовой распределитель, обеспечивающий пропорциональный расход соленой воды

В морской воде содержится 3,6 % растворенных веществ, в основном поваренной соли. Допустим для простоты, что морская вода представляет собой чистый раствор поваренной соли. Тогда на 1 кг массы морской воды приходится 964 г воды (53,5 молей) и 36 г соли (0,615 молей). В растворе соль полностью диссоциирует на Na⁺ и Cl^-, так что в действительности раствор содержит 1,23 молей ионов, а молярная концентрация воды составляет χ_воды = 53,5 / (53,5 + 1,23) = 0,978. Согласно закону Рауля, давление паров морской воды должно тогда составлять 97,8 % от давления паров пресной воды при той же температуре.

Зависимость давления насыщающих паров жидкости от температуры дается уравнением Клапейрона — Клаузиуса dlnp/dT = ΔH/RT², где ΔH — скрытая теплота испарения жидкости, R — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура. Подставляя числовые значения параметров для воды при 20°C ΔH = 44200 Дж/моль и Т = 293 К, получим dlnp/dT ≈ σlnp/σr = 44200 / (8,314 × 2932) = 0,0619 К^-1, или σT = σlnp/0,0619 K.

Чтобы давление паров морской воды было равно давлению паров пресной воды, мы должны поднять температуру морской воды на величину σT, соответствующую увеличению давления паров в p₂/p₁ = 1/0,978 = 1,0225 раз. Тогда σlnp = lnp₂ - lnp₁ = ln1,0255 = 0,0255 и σT = 0,0225/0,0619 = 0,36 град.

Разность температур воздуха вблизи поверхности Земли и самой поверхности во много раз больше, так что наша конструкция вполне работоспособна. Уже при разности температур в два градуса из морской воды будет испаряться до 80 % влаги, так что в верхней половине трубы останется концентрированный 16 %-ный рассол. Таким образом, подобный опреснитель будет давать 4–5 л пресной воды на каждый литр рассола.

Существует, правда, неприятная деталь: ночью (особенно в ясные холодные ночи) разность температур меняет знак: верхняя половина трубы становится холоднее нижней и пресная вода начинает переходить в полость с соленой водой. Можно было бы, вероятно, придумать какой-то механизм, переворачивающий трубу так, чтобы ночью полость с пресной водой оказывалась сверху, но это слишком неуклюжее решение. Придется, по-видимому, соорудить нечто вроде парника — покрытие, которое пропускает к верхней половине трубы дневное излучение, но задерживает низкотемпературное излучение, препятствуя тем самым ночному радиационному охлаждению трубы[26].

Примечания:

2

Интересно, что появление газовых включений в твердом теле подсказано природой. Газовые включения (окклюзии) часто наблюдаются в кварце или янтаре (см. [1]). — Прим. ред.

26

Дедал очень точно рассчитал разность давлений паров соленой и пресной воды, но не учел общее давление в водопроводе, равное 2,5–3 атм. Морской опреснитель более реален. — Прим. ред.