Лёд и Снег · 2020 · Т. 60 · № 3

УДК 628.165:551.322

doi: 10.31857/S2076673420030053

Капельное вымораживание солёной воды при зимнем дождевании

Институт географии РАН, Москва, Россия

*alexandr_sosnovskiy@mail.ru

Desalination of salt water by drip freezing at winter sprinkling

A.V. Sosnovsky*, N.I. Osokin

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

*alexandr_sosnovskiy@mail.ru

Received January 7, 2020 / Revised March 11, 2020 / Accepted June 7, 2020

Keywords: Arctic, desalination, porous ice, salt water, winter sprinkling.

Summary

The purpose of the research is to evaluate the efficiency of winter sprinkling for desalination of seawater. The

ice fraction in an individual drop and in a stream of drops in a free fall is estimated. At the air tempera-

tures of -10 and -40 °C, the percentage of ice in a stream of water drops with a mineralization of 35 g/l may

amount to 12 and 39%, respectively. Calculations showed that when producing porous ice from water with a

mineralization of 35 g/l by means of sprinkling at the same air temperatures, the productivity of the DDN-70

sprinkler system will be equal to 670 (-10 °C) and 2190 (-40 °C) tons of ice per day. When the fraction of

ice in the drops of stream increases, the salinity of unfrozen water grows too, and this results in increasing of

the porous ice salinity. Experiments did show that at mineralization of the source water of 10 g/l, the mois-

ture content of porous ice amounts 12%, while in the ice frozen from seawater it is 23%. The humidity of a

salt porous ice makes influence on the desalination efficiency. At a moisture content of porous ice of 12% and

melting of 30% of its volume, the mineralization of the remaining part is 4 times less than that at the a mois-

ture content of 23%, but if the melting reaches 50% of the volume it is 16 times. It was found that with growth

of salinity of frozen water the performance of sprinkling and efficiency of desalinization decrease. However,

it should be noted that when using sea water with a salinity of 35 g/l after melting of 50% of the porous ice

volume, the salinity of the remaining part of water will amount approximately 1 g/l, and after appropriate

sanitary and hygienic treatment, it can be used for drinking water supply. It is important also that such water

will contain in sufficient amounts the necessary microelements.

Citation: Sosnovsky A.V., Osokin N.I. Desalination of salt water by drip freezing at winter sprinkling. Led i Sneg. Ice and Snow. 2020. 60 (3): 471-480. [In

Russian]. doi: 10.31857/S2076673420030053.

Поступила 7 января 2020 г. / После доработки 11 марта 2020 г. / Принята к печати 7 июня 2020 г.

Ключевые слова: Арктика, зимнее дождевание, опреснение, пористый лёд, солёная вода.

На основании математического моделирования определена динамика замерзания отдельной

капли воды и дана оценка доли льда в капельном факеле. Рассчитана производительность намо-

раживания пористого льда в зависимости от солёности намораживаемой воды и размера капель

воды. Определена динамика опреснения массивов пористого льда разной солёности. Впервые

оценена эффективность применения зимнего дождевания для опреснения морской воды.

Введение

ется, что в последние годы исследователи об

ратили внимание на существенные нарушения

Проблема загрязнения водных ресурсов и

водного обмена у населения арктических реги

недостаток пресной воды актуальны для многих

онов, связанные с применением талого снега

регионов, в том числе для арктических районов

с недостаточным содержанием жизненно важ

России, где часто для питьевого водоснабжения

ных микроэлементов. Для решения проблемы

используется снег. В работе [1] рассмотрены

водоснабжения всё чаще используют опресне

проблемы водоснабжения в Арктике. Отмеча

ние солёных, в частности, морских вод. Однако

 471 

Прикладные проблемы

известные в настоящее время способы очист

менее 1 г/л. Этот процесс можно многократно

ки и опреснения природных и техногенных вод

ускорить, создавая ледяной массив с неболь

не эффективны для деминерализации и очист

шой минерализацией и температурой.

ки больших объёмов промышленных, сельско

В природных условиях метод выморажива

хозяйственных и бытовых сточных вод из-за

ния не требует больших капиталовложений и

высокой себестоимости опреснённой воды,

энергетических затрат, поскольку заморажи

больших капитальных и энергетических затрат,

вание воды протекает под воздействием есте

необходимости предварительной очистки воды

ственной отрицательной температуры возду

от нерастворимых примесей. На большей части

ха, а таяние льда обусловлено положительной

территории России эти проблемы, а также дру

температурой воздуха и солнечной радиаци

гие природоохранные задачи могут успешно ре

ей. Однако известные методы естественного

шаться с помощью нетрадиционных возобнов

вымораживания имели небольшую производи

ляемых видов природной энергии, к которым

тельность намораживания льда и низкую эф

относится и природный холод.

фективность опреснения [3]. Для устранения

Один из известных способов опреснения -

указанных недостатков потребовалось значи

вымораживание воды с использованием есте

тельно повысить производительность намо

ственного или искусственного холода. Опрес

раживания льда, научиться создавать ледяные

нение воды вымораживанием известно с давних

массивы с пористой структурой, легко фильт-

пор. В его основе лежит природный процесс

рующей воду, значительно снизить солёность

разделения солёной воды при заморажива

намораживаемого льда. Предварительные экс

нии на пресные кристаллы и концентрирован

периментальные исследования показали, что

ный рассол. Замерзание солёной воды сопро

к одному из наиболее экономичных способов

вождается избирательным ростом ветвистых

опреснения и очистки больших объёмов мине

кристаллов льда, отторгающим в окружающую

рализованной воды относится метод капельно

жидкость кристаллы соли, повышая её солё

го вымораживания, который реализуется при

ность. В итоге незамёрзший раствор солей вы

зимнем дождевании [4-6].

сокой концентрации механически захватыва

Для повышения производительности намо

ется растущей ледяной массой. Дальнейшее её

раживания пористого льда плотностью 500-

промерзание приводит к вымерзанию пресной

600 кг/м³применяется искусственный ледяной

воды из этих полостей и образованию скелет

дождь, создаваемый дальнеструйными дожде

ной структуры льда, содержащей капилляры и

вальными установками. При замерзании ка

замкнутые ячейки с концентрированным рас

пель солёной воды, падающих в воздухе с от

солом. Повышение температуры льда сопрово

рицательной температурой, на их поверхности

ждается обратным процессом - таянием льда

образуется ледяная оболочка, а соли вытесня

на границе с рассолом, ростом объёма жид

ются в центральное, незамёрзшее ядро капли.

кой фазы и образованием сквозных капилля

Когда капля падает на землю, разрушается ле

ров, через которые стекает рассол. В результа

дяная оболочка (при замерзании до 50-60%

те первые порции талого стока имеют высокую

объёма капли), а незамёрзший рассол вытекает

концентрацию солей. После выхода основной

из капли и фильтруется за пределы массива по

массы солей талый сток даёт пресную воду.

ристого льда. Это значительно снижает минера

Аналогичные процессы приводят к распресне

лизацию массива пористого льда ещё на стадии

нию многолетних морских льдов, что издавна

намораживания. Оставшийся рассол удаляется

использовалось жителями Крайнего Севера для

в процессе таяния льда.

получения пресной воды. Так миграция рассола

Суточная производительность наморажива

в ледяном покрове морей, обусловленная в ос

ния пористого льда из пресной воды серийной

новном температурным градиентом, приводит

дождевальной установкой ДДН-70 составляет

к его распреснению [2]. Минерализация рас

75 м³ воды в пересчёте на один градус средней

сола снижается от 10-15 г/л в начале образова

суточной отрицательной температуры воздуха.

ния ледяного покрова до 4-7 г/л весной. Одно

При температуре воздуха -20 °С за сутки форми

годичный морской лёд имеет минерализацию

руются массивы пористого льда объёмом поряд

 472 

А.В. Сосновский, Н.И. Осокин

ка 3000 м³ и высотой более 7 м. На территории

захватывать весь её объём (при небольшой ми

России за холодный период производительность

нерализации воды возможно формирование ле

намораживания пористого льда из пресной воды

дяной оболочки капли), поэтому для расчётов

при работе одной дождевальной установки изме

будем применять зависимости, полученные в

няется от 20 до 500 тыс. т [4]. В настоящее время

работе [3] при моделировании объёмного про

зимнее дождевание широко используется для

мерзания капли солёной воды.

строительства ледяных переправ и автозимни

Расчёты будем выполнять для капельного

ков [7]. Зарубежный опыт создания искусствен

факела, образованного при работе дождеваль

ных ледяных островов показывает, что наилуч

ной установкой ДДН-70 при насадке диамет-

ший эффект даёт намораживание льда методом

ром 55 мм. Эта установка наиболее распро

дождевания [8]. Этот метод имеет большое пре

странена в России. На её основе разработан

имущество перед остальными в скорости созда

дождеватель «Град-1» для работы в зимних

ния больших масс намороженного льда и принят

условиях. Дальность полёта струи дождевате

в качестве основного метода создания искус

ля ДДН-70 составляет 70 м при расходе воды

ственных ледяных островов в Международном

65 л/с и высоте капельного факела 15-20 м. Ос

стандарте ISO 19906.

новная часть экспериментальных исследований

Эксперименты с водой небольшой мине

выполнена на базе этого дождевателя. Средний

рализации (до 10 г/л) показали, что метод ка

диаметр капель для этой насадки, указанный в

пельного вымораживания позволяет ещё на

описании к дождевателю, - 1,5 мм. Наши из

стадии намораживания снизить минерализа

мерения в зимних условиях дали такое же зна

цию массива пористого льда в 10-12 раз. При

чение среднего радиуса капель воды. Скорость

экспериментальных исследованиях на архи

падения капли воды в воздухе v можно оценить

пелаге Шпицберген установлено, что в случае

по формуле v = 6,42R ^0,63, где R - радиус капли

использования морской воды минерализация

воды, мм. Время падения капли воды радиу

незамёрзшей части капли растёт, понижается

сом 0,75 мм с высоты 18 м составляет 3,33 с при

температура замерзания и, как следствие, сни

скорости падения капли 5,4 м/с.

жаются производительность намораживания

При падении капли в капельном факе

и выход пресной воды. Цель исследований -

ле происходит нагревание воздуха в результа

оценка эффективности применения зимнего

те теплообмена капли с воздухом и выделения

дождевания для опреснения морской воды.

теплоты льдообразования. Интенсивность те

пловыделения зависит от перепада температу

ры между замёрзающей каплей воды и воздухом

Производительность намораживания и

в факеле. С ростом замерзания капли и солё

солёность пористого льда

ности исходной воды снижаются температура

капли и интенсивность теплообмена. В резуль

Солёность массива пористого льда зави

тате нагревание воздуха в факеле уменьшает

сит от солёности незамёрзшей воды в капель

ся. Так, средняя за время падения температу

ном факеле и влажности пористого льда в мас

ра капли при минерализации намораживаемой

сиве. При неполном замерзании капли воды

воды 5 г/л составит -0,29 и -0,41 °С при тем

соли остаются в жидкой незамёрзшей её части.

пературе атмосферного воздуха -10 и -40 °С

Чем больше льда в капле и солёность замора

соответственно и -2,03 и -2,74 °С при мине

живаемой воды, тем выше солёность незамёрз

рализации намораживаемой воды 35 г/л. Для

шей воды, которая может представлять собой

оценки роста температуры воздуха в капельном

концентрированный рассол. Оценим минера

факеле авторами работы [3] получена следую

лизацию незамёрзшей воды в капле S_b, кото

щая зависимость:

рая в значительной степени будет определять

∆T = (T_i - T_a)/(1 + 0,0121v₁R^1,93LG ^-1),

(1)

минерализацию массива пористого льда. При

замерзании капли солёной воды происходит

где T_i - температура капли, °С; T_a - температура

дендритный рост кристаллов льда, и в случае

атмосферного воздуха, °С; v₁ - скорость венти

небольших размеров капли эти кристаллы будут

ляции факела ветром, м/с; R - радиус ка

 473 

Прикладные проблемы

Рис. 1. Доля льда (%) в отдельной капле (1, 2) и в ка

пельном факеле (3, 4) для воды минерализацией

5 г/л (1, 3) и 35 г/л (2, 4)

Fig. 1. The percentage of ice in a separate drop (1, 2) and

in a stream of drops (3, 4) for water with a mineralization

of 5 g/l (1, 3) and 35 g/l (2, 4)

пель, мм; L - длина факела, м; G - расход воды

дождевальной установкой, м³/с.

Рис. 2. Минерализация незамёрзшей воды в капле

Скорость вентиляции v₁ капли диаметром

воды (1), в капельном факеле (2) и минерализация

d = 1,5 мм при скорости ветра 5 м/с составляет

пористого льда (3) для воды минерализацией

около 1,3 м/с. При G/L = 18·10^-4 м²/с по форму

5 г/л (а) и 35 г/л (б)

ле (1) получим температуру воздуха в факеле для

Fig. 2. The mineralization of unfrozen water in a drop of

капель воды диаметром 1,5 мм и минерализацией

water (1), in a stream of drops (2) and mineralization of

porous ice (3) for water with a mineralization of 5 g/l (a)

5 г/л -8,4 и -33,6 °С при температуре атмосфер

and 35 g/l (b)

ного воздуха -10 и -40 °С соответственно. При

минерализации воды 35 г/л эти значения составят

-8,7 и -33,9 °С. В результате капли воды падают

ся. При температуре атмосферного воздуха -10

в воздухе с температурой выше, чем температу

и -40 °С в капельном факеле замерзает 13 и 43%

ра атмосферного воздуха, и процент наморажи

воды минерализацией S_w = 5 г/л соответственно

ваемого льда будет ниже. Расчёты показывают,

и 12 и 39% при минерализации воды S_w = 35 г/л

что при температуре атмосферного воздуха -10 и

(см. рис. 1). При этом минерализация неза

-40 °С в отдельной капле воды минерализацией

мёрзшей воды в капле к концу её падения в ка

пельном факеле повысится до 5,8 и 8,8 г/л при

Sw = 5 г/л замерзает 16 и 51% объёма капли соот

ветственно (рис. 1); в случае S_w = 35 г/л доля за

S_w = 5 г/л (см. рис. 2, а) и до 39,8 и 57,8 г/л при

мерзания в отдельной капле воды будет меньше

S_w = 35 г/л (см. рис. 2, б) и температуре атмо-

и составит 14 и 47%. При этом минерализацию

сферного воздуха -10 и -40 °С соответственно.

незамёрзшей воды можно оценить по формуле

Для капель меньшего размера этот эффект будет

ещё более значимым. Расход воды дождеваль

Sb = Sw/(1 - fd), где fd - доля незамёрзшей воды в

капле. Минерализация незамёрзшей воды в капле

ной установкой ДДН-70 с насадкой диаметром

S_b к концу падения повысится до 6,0 и 10,2 г/л

55 мм составляет около 5600 м³/сут. Поэтому,

при S_w = 5 г/л (рис. 2, а) и до 40,7 и 66,0 г/л при

учитывая долю льда в капельном факеле из воды

Sw = 35 г/л (см. рис. 2, б) и температуре атмосфер

минерализацией 35 г/л, получим массу пори

ного воздуха -10 и -40 °С соответственно.

стого льда равную 670 и 2190 т льда за сутки при

При учёте роста температуры воздуха в ка

температуре атмосферного воздуха -10 и -40 °С

пельном факеле доля льда несколько уменьшит

соответственно.

 474 

А.В. Сосновский, Н.И. Осокин

Экспериментальные исследования по

ла. В дальнейшем это приводит к образованию

опреснению пористого льда

сквозных капилляров, через которые начинает

интенсивно мигрировать рассол. Эксперимен

Первые опыты по опреснению небольших

тальные исследования миграции рассола в со

образцов пористого льда, намороженного из

лёном льду [2] показали, что основной способ

минерализованной воды, дали положительные

удаления соли из свежего морского льда - гра

результаты [3]. Лёд получали разбрызгиванием

витационный сток рассола по каналам между

раствора NaCl с минерализацией 30 г/л с высо

зёрнами льда. В небольшой степени распресне

ты 42 м. Температура воздуха во время экспери

ние льда обусловлено миграцией капель рассола.

ментов изменялась от -10 до -15 °С. Доля льда

При намораживании применялся раствор

в каплях диаметром 3-4 мм не превышала 14%.

NaCl с минерализацией воды от 0,4 до 30 г/л и

При медленном таянии (семь суток) 55% массы

массой M_в = 500÷900 г. Высота образцов пори

образца льда минерализация его верхнего слоя

стого льда не превышала 25 см. Его температура

уменьшилась на два порядка.

составляла t_i = -4 ÷ -9 °С. Начальная влажность

Для изучения динамики опреснения пори

пористого льда fi0 зависит от его температуры t_i

стого льда и оценки выхода пресной воды про

и минерализации исходной воды S_w в соответ

ведена серия лабораторных экспериментальных

ствии с формулой

исследований. Это вызвано тем, что в полевых

= S_w /S_ib,

(2)

условиях не всегда можно исследовать динами

ку выхода различных микроэлементов, а также

где S_w - минерализации исходной воды, кг/м³;

влияние параметров процесса таяния на опрес

S_ib = σt_i - минерализация рассола в пористом

нение. Поэтому в лабораторных условиях по

льду, кг/м³; σ = -16,5 кг/(м³·°С) - коэффициент

ристый лёд, образованный из осколков ледяных

пропорциональности для раствора NaCl; t_i -

оболочек капель, заменялся мелкодроблёным

температура пористого льда, °С.

льдом. Условия получения такого льда отлича

Расчёты по формуле (2) показывают, что

ются от пористого льда по скорости льдообразо

при минерализации исходной воды S_w = 5 г/л

вания и крупности ледяных кристаллов, однако

и температуре пористого льда от -1 до -10 °С

закономерности фильтрации талой воды, кото

доля незамёрзшей воды изменяется от 30 до 3%;

рая перемещается по поверхности ледяных гра

при S_w = 30 г/л и изменении t_i от -3 до -10 °С

нул, а также процесса солеобмена талой воды с

влажность fi0 изменяется от 60 до 18%. Дробле

плёнкой «рассола» сохраняются. При этом опре

ние тонких слоёв намороженного льда и фор

делённый интерес вызывают задачи очистки и

мирование пористого льда позволяют ускорить

значительного опреснения загрязнённых мине

сток рассола. В экспериментах с водопровод-

рализованных вод в бытовых условиях.

ной водой с минерализацией 0,24 г/л послед

Лёд получали замораживанием солёной воды

ние порции талого стока имели минерализацию

слоями толщиной до 3 мм с последующим его

менее 0,001 г/л. Применение рассмотренной

дроблением и размещением в полиэтиленовые

технологии получения пористого льда даёт воз

цилиндрические ёмкости. Последние изолиро

можность исследовать особенности опреснения

вали с боковых сторон и снизу для снижения

минерализованных вод и может быть использо

интенсивности таяния. Миграция рассола в со

вано для улучшения качества питьевой воды в

лёном льду происходит как под действием силы

бытовых условиях.

тяжести по межкристаллическому пространству,

Теоретические исследования позволили

так и в результате диффузии ячеек рассола под

установить динамику опреснения пористого

действием температурного градиента. В изотер

льда [3]:

мических условиях ячейки рассола находятся в

S_r = m_rn,

(3)

термодинамическом равновесии с окружающим

льдом. При росте температуры льда это равно

где m_r = M_i/Mi0 - относительная масса; n = (1 - f_i)/f_i;

весие нарушается. Для его восстановления часть

S_r = S_i /Si0 - относительная минерализация; Si0,

окружающего льда тает, понижается солёность

Mi0 - начальные значения минерализации и массы

рассола и увеличиваются размеры ячеек рассо

льда соответственно; S_i, M_i - текущие значения ми

 475 

Прикладные проблемы

нерализации и массы льда в процессе таяния соот

ской, речной и озёрной воды, а также техноген

ветственно; f_i - влажность пористого льда, доли ед.

ных сточных вод. Полевые экспериментальные

Расчёты по формуле (3) показывают влияние

исследования с морской водой выполняли на базе

влажности пористого льда на эффективность его

Шпицбергенской экспедиции Института геогра

опреснения. При влажности пористого льда 12%

фии РАН при содействии сотрудников рудника

и таянии 30% объёма минерализация оставшейся

Баренцбург [3]. Для намораживания использова

части массива в 4 раза меньше, чем при влажно

ли морскую воду из залива Грёнфьорд с минера

сти 23%, а при таянии 50% объёма льда - в 16 раз.

лизацией 34 г/л. Эффективность льдообразования

Производственные сточные воды, наряду с соля

в факеле высотой 10 м составляла 12%. Средний

ми, содержат растворимые органические приме

размер капель изменялся от 1 до 3 мм. После стока

си и микроэлементы, поэтому ряд экспериментов

избытка воды и промерзания намороженный ма

был проведён с растворённой органикой и ми

териал представлял собой непрозрачную пузыр

кроэлементами. Исследования по эффективно

чатую массу, напоминавшую снежный лёд и со

сти очистки воды от растворённой органики были

стоящую из осколков ледяных оболочек капель

проведены на образцах сточных вод целлюлозно-

размером 0,3-0,5 мм. Через 20 часов после окон

бумажного комбината с помощью аналога метода

чания намораживания плотность льда составила

факельного вымораживания в лабораторных ус

470-550 кг/м³. Средняя минерализация массива

ловиях [3]. Суммарное содержание органических

понизилась до 6-10 г/л в течение одних суток, а

веществ в порциях талого стока определяли по об

затем постепенно до 3,3 и 0,4 г/л через четверо и

щему содержанию углерода. Намороженный лёд с

девять суток соответственно.

содержанием углерода около 150 мг/л при нагре

Для исследования режима опреснения льда,

вании до небольших отрицательных температур

намороженного из морской воды, отбирались об

легко дробился в мелкую крошку и по структуре

разцы массой до 5 кг, толщиной 25-30 см и диа

напоминал разрыхлённый лёд с солесодержанием

метром до 20 см. В помещении с температурой

свыше 15 г/л. Исходная вода имела сероватый от

воздуха около 20 °С они подвергались естествен

тенок, а первые порции талой воды были коричне

ному плавлению вплоть до полного растаплива

вого цвета. При стоке трети объёма пористого льда

ния. Этот процесс продолжался от нескольких

вытекающая талая вода становилась уже прозрач

часов до суток. При таянии загрязнённых образ

ной и по цвету соответствовала водопроводной.

цов происходило не только их распреснение, но и

Эксперименты показали, что выход органи

очистка стекающей талой воды от нерастворимых

ки происходит приблизительно с такой же интен

примесей. Так, каменноугольная пыль накап-

сивностью, как и ионов Na⁺ или

. Их содер

ливалась в поверхностном слое тающего льда, в

жание в пористом льду уменьшается на порядок

результате чего талая вода, за исключением её

при таянии 1/3 части его объёма и в 20-60 раз -

последних порций, была прозрачной. При более

при таянии половины. Ряд экспериментов был

медленном таянии - в течение суток - динамика

проведён с Cr и Cu. Их содержание в талом стоке

опреснения соответствовала расчётам по форму

определялось атомно-абсорбционным методом.

ле (3) при влажности тающего льда 23%.

Установлено, что динамика выхода Cr и Cu с на

В феврале-марте 1991 г. были проведены по-

чальной концентрацией хрома 0,2 и 0,59 мг/л и

левые полупроизводственные эксперименты по

меди 16 мг/л практически одинакова и описыва

опреснению пористого льда со сбросными вода

ется зависимостью (3) при n = 4,3. Отметим, что

ми Балаковской АЭС, задача которых заключа

обычное вымораживание с получением монолит

лась в разработке технологии применения мето

ного льда не даёт такого результата. Эксперимент

да капельного вымораживания для опреснения

с намораживанием ледяного монолита с после

и очистки загрязнённых минерализованных вод,

дующим его таянием показал значительные ко

а также в исследовании динамики деминерали

лебания содержания углерода и химических эле

зации намороженного пористого льда и выхода

ментов в талой воде с небольшой тенденцией к их

ионов различных солей. Для намораживания ис

снижению в последних её порциях.

пользовался один из бассейнов-накопителей сточ

Наряду с лабораторными исследованиями,

ных вод. Доля льда, образующегося в процессе

проведены полевые работы с применением мор

дождевания в 12-метровом факеле с учётом тепло

 476 

А.В. Сосновский, Н.И. Осокин

обмена на намораживаемой поверхности, соста

Таблица. Снижение концентрации ионов солей в порис-

вила около 12%. Незамёрзшая в процессе дожде

том льду (в раз´) при таянии относительно их концент-

рации в намораживаемой воде

вания вода стекала по уклону обратно в бассейн.

Доля таяния льда, %

Минерализация исходной воды - 5,75 г/л, темпе

Ионы солей

ратура её замерзания около -0,3 °С. При дожде

вании на намораживаемой поверхности после бы

HCO_3-

строго стока незамёрзшей воды формировалась

Cl^-

733

толща влажного пористого льда плотностью 400-

SO_2-

103

1302

600 кг/м³, состоявшая из обломков ледяных обо

Ca²⁺

лочек капель и их конгломератов с небольшим со

Mg²⁺

держанием рассола в виде плёночной влаги.

Na⁺

103

900

Общая минерализация исходной воды и та

K⁺

308

лого стока определялась по электропроводно

Сумма ионов

284

сти кондуктометром и контролировалась по

сумме ионов. Результаты измерений химиче

ского состава исходной воды и образцов пори

Результаты исследований и расчёты по фор

стого льда показали, что минерализация пори

муле (3) показали, что к началу талого стока

влажность пористого льда, намороженного из

стого льда уменьшилась в 12 раз относительно

минерализации намораживаемой воды. Для ис

раствора NaCl с минерализацией 30 г/л, морской

следования динамики опреснения пористого

воды и из сточных вод АЭС, составляла 26, 23 и

льда при таянии использовался образец в виде

12% соответственно. В последнем случае мине

колонки диаметром около 0,2 м, высотой 1,2 м

рализация пористого льда к началу таяния была

и массой 17,4 кг, вырезанный из предваритель

на порядок ниже, чем в первых двух случаях.

но зачищенной вертикальной стенки проморо

Эксперименты показали, что методом зимнего

женного ледяного массива. Колонка пористого

дождевания из воды с минерализацией до 10 г/л

льда была теплоизолирована с боков и снизу.

можно получать массивы практически пресного

Таяние происходило сверху. Таким образом

пористого льда уже на стадии их формирования.

имитировали процесс таяния ледяного массива

Дальнейшая деминерализация происходит в про

в весенний период. Талая вода, образующаяся

цессе таяния такого массива. Близкие результаты

в верхнем слое пористого льда, фильтровалась

получены и при намораживании пористого льда

через всю толщу образца и накапливалась в

на оз. Сарпа в Волгоградской области [9].

специальном поддоне. Через каждые 4-5 часов

Высокая эффективность опреснения мето

измеряли объём и общую минерализацию та

дом зимнего дождевания получена и авторами

лого стока и отбирали пробы для детальных

работы [6], в которой представлены результа

исследований в химической лаборатории Ин

ты масштабного эксперимента в Университете

ститута географии РАН. Ионы Na⁺, Cl^- и

Альберты для оценки эффективности удаления

вымывались интенсивнее, чем ионы Mg²⁺, K⁺ и

растворённых химических веществ из шахт

Ca²⁺. Наименьшая интенсивность выхода была

ных сточных вод рудника Коломак. При зимнем

у гидрокарбонатного иона, концентрация ко

дождевании замерзало примерно 30% шахтных

торого при таянии снизилась всего в 2 раза.

сточных вод. Исследования показали, что после

Это объясняется разной подвижностью ионов

таяния 39% массива пористого льда произошло

солей [9]. Результаты измерений концентрации

удаление растворённого химического вещества

ионов солей в талом стоке послужили основой

на 87-99% (в зависимости от химического со

для оценки снижения их концентрации в мас

става). Концентрация мышьяка была сниже

сиве пористого льда при таянии 25 и 50% объё

на приблизительно в 4 раза, цианид удалялся

ма массива (таблица). Экспериментальные зна

на 99,2%. При этом вода, полученная после та

чения концентрации ионов солей в пористом

яния оставшихся 61% массива пористого льда,

льду при таянии и результаты расчётов по фор

требовала лишь незначительной дальнейшей об

муле (3) при влажности пористого льда f_i = 0,12

работки, что сильно снижало общие затраты на

показали хорошее соответствие.

приведение её в норму [6].

 477 

Прикладные проблемы

Оценка эффективности

жании ионов солей в пористом льду при таянии

опреснения пористого льда

дают возможность оценить динамику их удаления

в целях определения эффективности как опресне

Расчёты показали, что для капель воды диаме

ния, так и метода концентрирования различных

тром 1, 1,5 и 2 мм и минерализацией 5 г/л, падаю

веществ вымораживанием.

щих с высоты 18 м при температуре атмосферного

Установлено, что солёность намораживаемой

воздуха -20 °С, доля льда в капле составляет 58, 29

воды влияет на структуру льда, которая при мине

и 18% соответственно (рис. 3, а). При этом мине

рализации воды 35 г/л становится более рыхлой, с

рализация незамёрзшей в капле воды равна 12, 7

большей площадью поверхности кристаллов. Это

и 6 г/л соответственно. При минерализации на

влияет на влажность массива пористого льда как в

мораживаемой воды 35 г/л для капель этих разме

изотермическом состоянии, так и при таянии. Со

ров доля льда в капле будет равен 52, 27 и 17% (см.

снижением интенсивности таяния влажность мас

рис. 3, б), а минерализация незамерзшей воды -

сива пористого льда может уменьшаться. При влаж

73, 48 и 42 г/л соответственно. Применение отно

ности массива f_i = 12 (23)% минерализация масси

сительных (нормированных) значений величин

ва при стаивании 20 и 50% его массы уменьшится

позволяет сравнивать результаты разных экспе

в соответствии с формулой (3) в 5 (2) и 161 (10) раз

риментов и в то же время легко рассчитать абсо

лютные значения этих величин. Данные о содер

Рис. 3. Минерализация рассола 1-3 (г/л) и доля льда

4-6 (%), образующегося в капельном факеле из воды

минерализацией 5 (а) и 35 (б) г/л для капель диаметром:

Рис. 4. Относительная (а) и абсолютная (б) минера

1,0 мм - 1, 4; 1,5 мм - 2, 5; 2,0 мм - 3, 6

лизация пористого льда в зависимости от минерали

Fig. 3. The mineralization of brine 1-3 (g/l ) and the зации воды:

percentage of ice 4-6 (%) formed in a stream of drops

1 - 35 г/л; 2 - 5 г/л

from water with a mineralization of 5 (a) and 35 (б) g/l

Fig. 4. Relative (a) and absolute (б) mineralization of

for droplets with a diameter of:

porous ice depending on the mineralization of water:

1.0 mm - 1, 4; 1.5 mm - 2, 5; 2.0 mm - 3, 6

1 - 35 g/l; 2 - 5 g/l

 478 

А.В. Сосновский, Н.И. Осокин

соответственно (рис. 4, а). При этом в абсолютных

670 и 2190 т льда за сутки, при температуре атмо-

единицах минерализация массива пористого льда,

сферного воздуха -10 и -40 °С соответственно.

намороженного из воды с минерализацией 5 г/л,

При росте доли льда в капельном факеле уве

влажностью массива f_i = 12% и стаиванием 20 и

личивается минерализация незамёрзшей воды, что

50% его массы, составит 0,165 и 0,005 г/л соответст

ведёт к росту солёности пористого льда. Экспери

венно (см. рис. 4, б). При минерализации исходной

менты показали, что при небольшой минерали

воды 35 г/л, влажности массива f_i = 23% и стаива

зации исходной воды - до 10 г/л - влажность по

нии 20 и 50% массива пористого льда его минера

ристого льда после стока избытка воды составляет

лизация составит 5,211 и 1,080 г/л (см. рис. 4, б).

порядка 12%, тогда как для пористого льда, намо

Расчеты при температуре атмосферного воз

роженного из морской воды, эта величина намно

духа -20 °С показали, что при применении до

го выше - 23%. Из теоретических и эксперимен

ждевальной установки ДДН-70 (при насадке диа

тальных исследований стало ясно, что влажность

метром 55 мм и среднем диаметре капель 1,5 мм)

солёного пористого льда значительно влияет на

минерализация массива пористого льда, намо

эффективность опреснения. При влажности по

роженного из морской воды, составит порядка

ристого льда 12% и таянии 30% объёма минерали

11 г/л (см. рис. 4, б). Это обусловлено высокой

зация оставшейся части массива в 4 раза меньше,

минерализацией рассола во льду, равной 48 г/л.

чем при влажности 23%, а при таянии 50% объёма

При таянии половины объема пористого льда ми

льда - в 16 раз. При этом минерализация массива

нерализация оставшейся части составит порядка

пористого льда, намороженного из воды с минера

1 г/л (см. рис. 4, б). При более низких значениях

лизацией 35 г/л при влажности массива 23%, со

температуры атмосферного воздуха следует при

ставит 5 и 1 г/л при стаивании 20 и 50% его массы

менять насадки большего диаметра, чтобы не по

соответственно. Результаты исследований пока

вышать эффективность льдообразования и мине

зывают, что с ростом минерализации наморажи

рализацию массива пористого льда.

ваемой воды снижается как доля льда в капле воды

(производительность намораживания), так и эф

фективность опреснения. Однако даже при экс

Заключение

периментах с морской водой с минерализацией

35 г/л после стаивания более 50% объёма пористо

Капельное вымораживание при зимнем до

го льда минерализация оставшейся части составит

ждевании - эффективный метод опреснения ми

около 1 г/л, и после соответствующей санитар

нерализованных вод. Экспериментальные и тео-

но-гигиенической обработки эту воду можно ис

ретические исследования показали высокую

пользовать для питьевого водоснабжения. Причём

производительность намораживания пористого

такая вода будет содержать в достаточном количе

льда из воды разной солёности. Доля льда в ка

стве необходимые микроэлементы.

пельном факеле меньше, чем в отдельной капле

воды из-за нагревания капельного факела в ре

Благодарности. Математическое моделирование и

зультате теплообмена падающих капель воды с ат

анализ архивных материалов проводились в рамках

мосферным воздухом. При температуре атмосфер

темы Государственного задания № 0148-2019-0004.

ного воздуха -10 и -40 °С температура воздуха в

Расчёты, обработка и анализ экспериментальных

капельном факел из капель воды диаметром 1,5 мм

данных выполнялись при поддержке программы

и минерализацией 5 г/л нагревается на 1,6 и 6,4 °С

президиума РАН № 22 «Перспективные физико-

соответственно. При температуре атмосферного

химические технологии специального назначе

воздуха -10 и -40 °С доля льда в отдельной капле

ния». Экспедиционные исследования на архипела

воды минерализацией 35 г/л составляет 14 и 47%,

ге Шпицберген вели при финансовой поддержке

тогда как в капельном факеле эта доля будет мень

госзадания и логистической помощи Российского

ше - 12 и 39% соответственно. При этом минера

научного центра на Шпицбергене (РНЦШ).

лизация незамёрзшей воды в капельном факеле

повысится до 40 и 58 г/л. При применении дожде

Acknowledgments. The mathematical modeling and

вальной установкой ДДН-70 получим массу пори

analysis of experimental data carried out according to the

стого льда из воды минерализацией 35 г/л, равную

framework of fundamental scientific studies within the

 479 

Прикладные проблемы

project reg. № 0148-2019-0004. Calculations, processing

Chemical Technologies for Special Purpose». Field stud

and analysis of experimental data were carried out with

ies on Svalbard were conducted with financial support

the support of the program of the Presidium of the Rus

from the state assignment and logistical assistance of the

sian Academy of Sciences № 22 «Advanced Physico-

Russian Scientific Center on Spitsbergen (RSCS).

Литература

References

1. Гомозов Э.В., Медведев А.А., Тришкин В.В. Про

1. Gomozov E.V., Medvedev A.A., Trishkin V.V. Problems

блемы водоснабжения военнослужащих арктиче

of water supply for the military of the Arctic group

ской группировки войск // Науч. вестн. ВВИМО.

ing. Nauchnyi vestnik VVIMO. Scientific Bulletin of

2016. № 2 (38). С. 88-91.

VVIMO. 2016, 2 (38): 88-91. [In Russian].

2. Kingery W.D., Goodnow W.H. Brine migration in salt

2. Kingery W.D., Goodnow W.H. Brine migration in salt Ice. Ice

Ice // Ice and Snow: Properties, Processes, and Ap

and Snow: Properties, Processes, and Applications. Еd.:

plications / Еd.: W.D. Kingery. M.I.T. Press: Cam

W.D. Kingery. M.I.T. Press: Cambridge, 1963: 237-247.

bridge, 1963. P. 237-247.

3. Sosnovsky A.V. Zakonomernosti formirovaniya i

ispol’zovaniya iskusstvennykh firnovo-ledyanykh mas-

3. Сосновский А.В. Закономерности формирования

sivov. Regularities of formation and use of artificial

и использования искусственных фирново-ледя

firn-ice massifs. РhD. Moscow: Institute of Geography

ных массивов: Дис. на соиск. уч. степ. д-ра геогр.

RAS, 2010: 301 p. [In Russian].

наук. М.: Ин-т географии РАН, 2010. 301 с.

4. Sosnovskiy A.V., Khodakov V.G. Artificial ice formation

4. Сосновский А.В., Ходаков В.Г. Искусственное льдо

in natural conditions for handling environmental prob

образование в природных условиях для решения

lems. Materialy Glyatsiologicheskikh Issledovaniy. Data

экологических проблем // МГИ. 1995. Вып. 79.

of Glaciological Studies. 1995, 79: 3-6. [In Russian].

С. 3-6.

5. Gao W., Smith D.W., Sego D.C. Release of contaminants

5. Gao W., Smith D.W., Sego D.C. Release of contami

from melting spray ice of industrial wastewaters. Journ.

nants from melting spray ice of industrial wastewa

of Cold Regions Engineering. 2004, 18: 35-51.

ters // Journ. of Cold Regions Engineering. 2004.

6. Kevin W. Biggar, Robert Donahue, Dave Sego, Mathieu

№ 18. P. 35-51.

Johnson, Sean Birch. Spray freezing decontamination

6. Kevin W. Biggar, Robert Donahue, Dave Sego, Mathieu

of tailings water at the Colomac Mine. Cold Regions

Johnson, Sean Birch. Spray freezing decontamination

Science and Technology. 2005, 42: 106-119.

of tailings water at the Colomac Mine // Cold Regions

7. Proektirovanie, stroitel'stvo i soderzhanie zimnikh

Science and Technology. 2005. № 42. P. 106-119.

avtomobil'nykh dorog v usloviyakh Sibiri i Severo-Vosto-

7. Проектирование, строительство и содержание

ka SSSR. VSN 137-89. Design, Construction, and

зимних автомобильных дорог в условиях Сибири

Maintenance of Winter Motor Roads under Condi

и Северо-Востока СССР. ВСН 137-89. М.: Мин

tions of Siberia and the North-East of the USSR. VSN

трансстрой СССР, 1991. 177 с.

(All-Russia Construction Rules) 137-89. Moscow:

8. Кубышкин Н.В., Бузин И.В., Головин Н.В., Гудошни-

Mintransstroy SSSR, 1991: 177 p. [In Russian].

ков Ю.П., Замарин Г.А., Скутин А.А. Ледотехни

8. Kubyshkin N.V., Buzin I.V., Golovin N.V., Gudosh-

ческие аспекты создания объектов транспортной

nikov YU.P., Zamarin G.A., Skutin A.A. Aspects of ice

инфраструктуры и разведочного бурения в Ар

engineering for the aims of construction of the trans

ктике // Проблемы Арктики и Антарктики. 2018.

port infrastructure and reconnaissance drilling in the

Т. 64. № 4. С. 407-426. doi: 10.30758/0555-2648-

Arctic. Problemy Arktiki i Antarktiki. Problems of Arc

2018-64-4-407-426.

tic and Antarctic. 2018, 64 (4): 407-426. [In Russian].

9. Сосновский А.В., Конторович И.И. К расчё

doi: 10.30758/0555-2648-2018-64-4-407-426

ту опреснения минерализованного пористого

9. Sosnovsky A.V., Kontorovich I.I. The calculation of desali

льда при таянии // Лёд и Снег. 2016. Т. 56. № 4.

nation of mineralized porous ice at thawing. Led i Sneg.

С. 545-554. doi: org/10.15356/2076-6734-2016-4-

Ice and Snow. 2016, 56 (4): 545-554. [In Russian]. doi:

545-554.

org/10.15356/2076-6734-2016-4-545-554.

Подписано в печать 05.08.2020 г. Дата выхода в свет 17.08.2020 г. Формат 60 × 88¹/₈. Цифровая печать.

Усл.печ.л. 19.0. Уч.-изд.л. 19.0. Бум.л. 10.0. Тираж 21 экз. Бесплатно. Заказ 3320.

Свидетельство о регистрации средства массовой информации ПИ № ФС 77-76744 от 24 сентября 2019 г.,

выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).

Учредители: Российская академия наук, Институт географии Российской академии наук, Русское географическое общество.

Оригинал-макет подготовлен в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки

Институт географии Российской академии наук.

Издатель: Российская академия наук, 119991 Москва, Ленинский просп., 14.

Исполнитель по госконтракту № 4У-ЭА-197-18

ООО «ИКЦ «АКАДЕМКНИГА», 117342 Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, а/я 47.

16+

Отпечатано в типографии «Book Jet» (ИП Коняхин А.В.), 390005, г. Рязань, ул. Пушкина, 18, тел. (4912) 466-151.

 480 