улучшенное опреснение океанической воды

Формула изобретения

1. Способ ускорения испарения воды, включающий стадии получения смеси воды и тонко измельченных частиц, имеющих средний диаметр 100 мкм или менее, и перемешивания смеси в контейнере при температуре ниже точки кипения воды, посредством чего ускоряется высвобождение паров воды из смеси.

2. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию добавления энергии в течение стадии перемешивания смеси для поддержания температуры смеси.

3. Способ по п.1, в котором средний диаметр частиц 10 мкм или менее.

4. Способ по п.3, в котором средний диаметр частиц 1 мкм или менее.

5. Способ по п.1, в котором частицы состоят из материала, выбираемого из группы, состоящей из полисахаридных макромолекул, получаемых из растений, целлюлозных макромолекул, протеинов, глин, металлов, глинозема и оксидов металлов.

6. Способ по п.5, в котором оксиды металлов выбирают из группы, состоящей из глинозема, оксида титана, магнезии и оксида железа.

7. Способ по п.1, в котором частицы являются гидрофильными.

8. Способ по п.1 дополнительно включающий стадию распыления дополнительной воды в смесь для восполнения испарившейся воды.

9. Способ по п.8, в котором устанавливают температуру дополнительной воды для предотвращения понижения температуры смеси.

10. Способ по п.1 дополнительно включающий стадию, обеспечивающую в системе пониженное давление в контейнере.

11. Способ по п.10, в котором в системе с пониженным давлением конденсируется водяной пар.

12. Устройство для ускорения испарения воды, включающее контейнер, содержащий смесь воды и тонко измельченных частиц, при температуре ниже точки кипения воды, в котором частицы имеют средний диаметр 100 мкм или менее, и средства для перемешивания смеси, посредством чего ускоряется высвобождение паров воды из смеси.

13. Устройство по п.12, дополнительно включающее устройство для добавления энергии к смеси для поддержания температуры смеси в течение перемешивания смеси.

14. Устройство по п.12, в котором средний диаметр частиц 10 мкм или менее.

15. Устройство по п.14, в котором средний диаметр частиц 1 мкм или менее.

16. Устройство по п.12, в котором частицы состоят из материала, выбираемого из группы, состоящей из полисахаридных макромолекул, получаемых из растений, целлюлозных макромолекул, протеинов, глин, металлов, глинозема и оксидов металлов.

17. Устройство по п.16, в котором оксиды металлов выбирают из группы, состоящей из глинозема, оксида титана, магнезии и оксида железа.

18. Устройство по п.12, в котором частицы являются гидрофильными.

19. Устройство по п.12, дополнительно включающее устройство для распыления дополнительной воды в смесь для восполнения испарившейся воды.

20. Устройство по п.19, дополнительно включающее средство, в котором устанавливают температуру дополнительной воды для предотвращения понижения температуры смеси.

21. Устройство по п.12, дополнительно включающее средства для уменьшения давления в контейнере.

22. Устройство по п.21, в котором в средстве для уменьшения давления конденсируется водяной пар.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к опреснению океанской воды и, в особенности, к новому способу легкого получения чистой воды.

Мир стоит перед серьезными проблемами, связанными с водой. Возросшее потепление поверхности океана, обусловленное увеличением атмосферного диоксида углерода и других «парниковых газов», представляет собой большую проблему для островных стран. Увеличение температуры приводит к повышению уровня океана из-за таяния полярных ледниковых шапок. Это может привести к затоплению островов. Тем временем повышенная температура воды разрушает коралловые рифы, так что население островов также стоит перед проблемой сокращения пищи. В то же время повышение атмосферной температуры способствует опустыниванию. Население пустынь испытывает недостаток воды для непосредственного употребления и для сельского хозяйства. Население пустынь также стоит перед сокращением пищи. Обе эти проблемы относятся к окружающей среде. Все живое содержит воду в качестве основного компонента их тел. Большинство биологических функций и множество биологических структур зависят от воды и не могут находиться в сухом или обезвоженном состоянии. «Высыхание» означает «смерть» для большинства живых существ.

Исходя из этого проблема сокращения воды очень важна для всего человечества. Население земли, согласно оценкам, в середине двадцать второго века будет превышать 10 миллиардов. Такое быстрое увеличение населения земли будет усиливать и так активную борьбу за воду, пищу и энергию. Эти проблемы тесно связаны и не могут быть легко отделены друг от друга.

Большая часть воды Земли представляет собой воду океана (морская вода). Чистая вода существует в виде льда (ледники и снег), дождя, рек, прудов, озер и подземных водоносных слоев. Сельскохозяйственное использование воды зависит от вышеупомянутых источников воды. К сожалению, многие водоносные слои содержат воду, богатую минеральными веществами, которые аккумулируются в почве после продолжительной ирригации. Такое аккумулирование вызывает так называемое «солевое повреждение» растений. Если вода богата натрием, то реальная структура почвы повреждается, поскольку натрий замещает кальций в минералах глины.

97,5% воды на планете является водой океана, которая не может использоваться в сельском хозяйстве без удаления соли - опреснения. Существует в основном два широко используемых способа опреснения: перегонка и мембранное разделение. Перегонка представляет собой процесс, в котором молекулы воды испаряются из морской воды и затем конденсируются в виде чистой воды. Способ мембранного разделения включает либо «электронный диализ» (ЭД способ), либо «обратный осмос» (ОО способ).

Перегонка приводит к чистой воде, и остатком в этом способе является соль. Мембранные способы ЭД и ОО поглощают ионы и соли, так что остатком является чистая вода. Перегонка требует много энергии для нагрева воды для ускорения испарения, тогда как мембранные способы требуют дорогих мембран.

Практической проблемой опреснения океанской воды является его реализация в промышленных масштабах, поскольку для сельского хозяйства необходимы такие гигантские количества воды, которые могут превратить пустыни в зеленые плантации. Фотосинтез является единственным важным процессом, посредством которого живые организмы поглощают солнечную энергию и сохраняют ее синтезом глюкозы из диоксида углерода и воды. Хорошо известно эмпирическое правило, что рост сельскохозяйственных культур требует воды примерно в одну тысячу раз больше, чем вес собранного урожая.

Обычная океаническая вода содержит около 3,4% вес. солей с рН равным 8. Наиболее преобладающими анионами являются хлорид ион (19000 мг/л) и сульфат ион (2600 мг/л). Общими катионами являются ион натрия (10650 мг/л), ион магния (1300 мг/л), ион кальция (400 мг/л) и ион калия (380 мг/л). Также присутствуют более низкие по содержанию ион брома, карбонат ион, ион бора и ион стронция. К тому же присутствуют следы железа, оксида кремния и карбоната кальция.

Каждый их этих ионов имеет диаметр в несколько ангстрем (10^-10 м). Гидратированные ионы имеют размер того же порядка. Эффективность разделения в мембранном способе опреснения зависит от способности улавливания иона и ионной проницаемости мембран. Сродство и размеры пор мембран являются ключевыми для результатов разделения. Производство мембран должно быть тщательным, и для этого требуются специальные полимеры. Для ЭД способа предпочтительны ионообменные полимеры, тогда как для ОО способа предпочтительны ацетат целлюлозы и сходные нейтральные полимеры. Модификация полимерной матрицы, например, сшиванием или модификацией боковой цепи, использовалась для повышения эффективности. Тем не менее, все еще существует трудность в удалении всех ионов.

С другой стороны, способ перегонки является стандартным лабораторным способом для отделения жидкости от различных загрязняющих веществ. После удаления твердых частиц океаническую воду кипятят и упаривают. Получаемый пар затем охлаждают для конденсации его в жидкую воду. Стандартная разделительная перегонная колонна способна дать большое количество чистой воды. Проблема заключается в эффективном использовании энергии. Предпринимался ряд технологических попыток уменьшения общего числа калорий, необходимых для перегонки чистой воды из океанической воды.

Для получения питьевой воды необходимо удалить в значительной степени все ионы, поскольку наше тело уже содержит необходимый баланс большинства ионов, находящихся в океанической воде, который может быть нарушен дополнительными ионами. Для использования в сельском хозяйстве также необходимо удалить в значительной степени все ионы. Как отмечалось выше, накапливание солей в сельскохозяйственных почвах делает почву непахотной, так что фермеры должны прекращать культивировать поврежденную землю. В мире существует много регионов, где это уже произошло. Существуют мириады проблем, проистекающих из-за сокращения воды - образование пустынь, солевое поражение в сельском хозяйстве, в том числе нехватка питьевой воды. Эти проблемы неизбежно влекут за собой комплекс систем для перевозок воды на большие расстояния, также как и «водные войны», в которых вода из одного региона используется для выгоды другого.

Настоящее изобретение представляет собой новый способ опреснения океанической воды посредством испарения с получением чистой воды, свободной от соли. По существу, способ состоит из испарения воды с твердой поверхности при подаче энергии в виде тепла и/или перемешивании. Океаническую воду, предварительно нагретую солнцем и/или другими энергетическими источниками, вводят в контейнер и распыляют на поверхности тонкоизмельченного материала, обладающего большой площадью поверхности. Взаимодействие молекул воды с поверхностью ускоряет испарение. Это делает возможным значительное испарение с более низкой потребляемой энергией, чем обычная перегонка. После испарения водяной пар конденсируется, давая чистую воду. Полученная вода пригодна для использования как в сельском хозяйстве, так и для питья.

Чертеж представляет собой схематическое изображение настоящего изобретения.

Следующее описание дается для того, чтобы сделать возможным специалисту в данной области техники осуществить и использовать изобретение, и для объяснения преимущественных вариантов осуществления этого изобретения, продуманных заявителем. Однако специалисту в данной области техники легко будут понятны различные модификации, поскольку основные принципы настоящего изобретения здесь конкретно определены для обеспечения способа, повышающего испарение из океанической воды путем комбинирования океанической воды с измельченным материалом.

В природе вода циркулирует в окружающей среде в трех физических состояниях - твердом, жидком и газообразном. Вода испаряется с Земли или поверхности водоемов в результате нагревания солнцем. Получаемый водный пар циркулирует в атмосфере и собирается в виде облаков. При достаточном охлаждении вода конденсируется из облаков и падает в виде дождя или снега. Испарение с Земли или водоемов не зависит от большого градиента температур. Точнее большая величина вовлеченных поверхностей делает возможным умеренное увеличение температуры поверхности, что приводит к перегонке большого количества чистой воды с поверхности Земли. В результате изобретения установлено, что путем значительного увеличения поверхности испарения возможно значительно увеличить скорость испарения воды. Мысленно рассматривая испарение с гигантской площади поверхности океанов, можно рассматривать площадь испарения как двумерную. Двумерная площадь в действительности является трехмерной площадью. Вся площадь поверхности Земли (509949000 км²) может быть в высокой степени преобразована в площадь поверхности множества маленьких частиц следующими уравнениями.

Здесь S - площадь поверхности, V - объем, W - вес, D - плотность и R - радиус Земли. Сходным образом, s - площадь поверхности, v - объем, w - вес, d - плотность и r - радиус совокупности множества маленьких частиц (микропорошка), который используется для замещения поверхности Земли.

Принимая S равной общей сумме площадей поверхности (s) множества (n) частиц (S=n×s)

Подставляя n из (3), мы получаем

Радиус Земли R=6,37×10⁶ м. Следовательно:

Если плотность D Земли равна 5,5 г/см³, то при использовании уравнения (7) вес W приблизительно равен 5,97×10 ²⁴ метрических тонн. Однако используя уравнения (9) и (10), возможно рассчитать вес микропорошка, который имеет общую площадь поверхности, равную площади поверхности Земли. Принимая, что микропорошок является целлюлозой с плотностью 0,5 г/см ³, можно рассчитать, что для микрочастиц с радиусом r=1 см вес микропорошка, имеющего площадь поверхности Земли, приблизительно равен 8,5×10¹¹ метрических тонн. Если r уменьшить до диапазона микрометров (1×10^-6 м), то вес будет равен 8,5×10⁷ метрических тонн.

Это показывает насколько велика площадь поверхности маленьких частиц. Используя маленькие частицы, возможно в значительной степени воспроизвести общую испарительную площадь поверхности Земли с «относительно малым» весом частиц. Конечно, 10⁷ метрических тонн все еще является гигантским весом. Однако, количество воды, испаряемой с поверхности Земли, невероятно огромно. И нет необходимости воспроизводить это количество. Смысл в том, что использование микропорошка может значительно увеличить площадь поверхности испарения.

Увеличение площади испарения

Представленные выше расчеты иллюстрируют увеличение трехмерной площади поверхности маленьких сферических частиц. Поскольку удельная площадь микрочастиц большая, число точек адсорбции и точек испарения увеличивается. Более того, если частицы перемешивают и вращают, может быть использована трехмерная площадь поверхности. Возможность испарения морской воды таким образом увеличивается, за счет чего увеличивается общая эффективность способа. То есть, скорость испарения зависит от площади поверхности испарения. Общая площадь маленьких частиц для небольшого пространства достигает площади поверхности Земли, если используется их трехмерная площадь поверхности.

Микропорошок

Для этих целей пригодны маленькие сферические частицы. Однако изобретение не ограничено определенной формой частиц и специфическими свойствами, такими как гидрофильность. Перенос тепла к поверхности частицы не ограничивается связыванием с поверхностью. Металлические порошки, такие как железо, медь и цинк также действуют в качестве более хороших теплопроводников. Теплопроводимость железа составляет 0,4-0,5 Дж/г·К и у меди равна 0,3-0,4 Дж/г·К. Более того, теплопроводимость бумаги и древесины составляет 1,1-1,3 Дж/г·К. Оптимальный размер этих порошков составляет около от одного до нескольких микрометров в диаметре. Хотя, как отмечалось выше, даже частицы с радиусом в диапазоне сантиметра обеспечивают огромную площадь поверхности. Смесь описанных выше материалов также может использоваться для данного способа испарения.

Предпочтительный материал представляет собой тонкоизмельченный порошок целлюлозы, получаемый полным разрушением древесной целлюлозы. Опилки и сходное целлюлозное утильсырье может быть механически разрушено способом непрерывного измельчения и перемешивания для получения такого материала.

Как будет объяснено ниже, взаимодействие молекул воды с поверхностью частиц обеспечивает другое значительное улучшение эффективности. Вес микропорошка, составляющий на порядок меньше цифры, рассчитанной выше, действительно способен дублировать способность к испарению целой Земли. Это делает возможным изготовить при использовании микропорошка относительно небольшую, но очень эффективную испарительную систему.

Свободная вода

Для понимания дополнительной эффективности, обеспечиваемой микропорошком, в первую очередь необходимо рассматривать состояние воды. Вода, пожалуй, является одним из основных химических соединений. Структура воды делает ее идеальной для ряда внутримолекулярных взаимодействий, широко известных как "образование водородной связи". Благодаря этому взаимодействию жидкая вода существует в квазиполимерном состоянии, в котором отдельные молекулы воды связаны с образованием "кластера". Значения удельной теплоемкости, температуры кипения, точки замерзания и сходных физических свойств воды значительно отличаются по сравнению с молекулами сходного размера, не образующими водородные связи. Для иллюстрации эффекта водородного связывания часто используют температуру кипения 100°С. Пары воды, газообразное состояние воды, существуют в виде моно- и димерных молекул воды. Тепло, требуемое для испарения жидкой воды, отвечает общей энергии, необходимой для перевода молекул из состояния полимерного "кластера" в состояние пара, в котором кластеры замещены мономерами или димерами воды. Удельная теплоемкость воды в стандартных условиях равна 4,3 Дж/г·К. Обычная изотропная вода в массе носит название "свободная вода". Это означает, что молекулярные взаимодействия вода-вода одинаковы во всех направлениях. Если в систему вводят гидрофильное соединение, то взаимодействия вода-вода изменяются незначительно. Влияние добавленных ионов является примером такого эффекта. Ион, растворенный в воде, становиться гидратированным; это означает, что добавляется дополнительное взаимодействие, а именно, взаимодействие ион-вода. Это взаимодействие небольшое, так что удельная теплоемкость морской воды уменьшается лишь до 3,9 Дж/г·К. Однако необходимо отметить, что другое воздействие способно изменить взаимодействие вода-вода. Взаимодействие ион-вода является слабым, а время релаксации для этого взаимодействия коротким. На взаимодействие молекул воды с ионом другие молекулы воды не оказывают влияния, так что передача тепла молекуле воды упрощается. Связанная вода представляет собой другое состояние воды, в котором взаимодействия вода-вода разрушены. Полностью гидратированная молекула содержит иммобилизированную воду или ассоциированную тесно связанную воду. Взаимодействия воды также могут быть разрушены гидрофобными материалами. Сильно гидрофобные частицы, такие как частицы политетрафторэтилена, также могут быть эффективными в настоящем изобретении. В настоящее время ИК, рамановская спектрометрия или спектрометрия ядерного магнитного резонанса может экспериментально различить эти различные состояния воды.

Взаимодействие вода-вода и вода-другая молекула показывает, что возможно изменять параметры теплопередачи молекулы воды. Ослабление взаимодействий вода-вода может понижать количество энергии, необходимое для превращения воды из жидкости в газ. Поверхность маленькой частицы является оптимальной для создания взаимодействий, которые изменяют количество энергии, необходимой для испарения воды. То есть, энергия, необходимая для испарения молекулы воды, может быть уменьшена ослаблением взаимодействия вода-вода.

Наиболее эффективными для этой цели материалами представляются гидрофильные соединения, такие как природные макромолекулы полисахаридов, находящиеся в растительных материалах, таких как древесина, бумага, бамбук и рисовая солома, также как и протеины и неорганические оксиды металлов, такие как кремнезем (диоксид кремния), глинозем (оксид алюминия), титания (диоксид титана), магнезия (оксида магния), оксид железа, оксиды других металлов, глины и т.д.

Источник энергии для испарения не столь важен. Энергия может подаваться обычным конвективным или кондуктивным нагревом или теплопередачей излучением при помощи видимого, инфракрасного или микроволнового излучения, или просто солнечным светом. Другим способом является механический нагрев посредством трения (например, перемешивание).

Свободная вода демонстрирует сильное взаимодействие вода-вода, и большая часть энергии необходима для преодоления этого взаимодействия и превращения жидкой воды в пар. Ослабление взаимодействия вода-вода является важным путем уменьшения количества энергии, необходимой для испарения воды.

Удаление пара

Между парами воды и жидкой водой существует стандартное равновесие пар-жидкость. Эта характеристика изобретения связана с активированием неравновесного состояния. Испарение воды океана контролируется равновесием жидкость-пар в условиях постоянных температуры и давления. Понижение давления является другим методом содействия увеличению скорости испарения. В закрытой системе давление паров воды p₁ и атмосферное давление р₂ объединяются с получением равновесного давления р. Объем сосуда воздействует на это давление при заданной температуре, поскольку объем сосуда контролирует общий объем пара в такой закрытой системе. Если водяному пару дают возможность перетекать в конденсатор для превращения в жидкую воду, давление водяных паров р₁ в системе уменьшается, и испарение активируется. В испарительной системе может присутствовать вентилятор для способствования циркуляции водяного пара в конденсаторе.

Первый пример

Чертеж показывает схематическое представление устройства 100 для проведения процесса по настоящему изобретению. Управляющий блок 150 содержит микропроцессор или сходную систему управления для контроля устройства, отвечающего за датчик температуры водяных паров 151а, датчик температуры жидкости 151b и датчик уровня воды 153. Управляющий блок 150 регулирует нагреватель (не показано) для повышения температуры сосуда 101. Управляющий блок 150 также регулирует перемешивающий мотор 102 и распылитель морской воды 105, как и радиальный вентилятор 107. Морская вода хранится в контейнере для подачи 110 и распыляется в испарительный сосуд 101 для поддержания в нем уровня жидкости. Обычно морскую воду нагревают перед распылением путем нагрева всего контейнера 110 или нагревом распылителя 105. Отработанное или солнечное тепло в особенности предпочтительны, поскольку система превращает отработанную энергию в чистую воду. Распылитель 105 создает туманоподобное распыление для того, чтобы сделать возможным максимальное прямое испарение. Общее количество необходимой энергии значительно понижается за счет микропорошка 104, который расположен внутри сосуда 101.

Система функционирует, когда вращающаяся крыльчатка 103 перемешивает раствор микропорошка и нагретой морской воды. Как уже объяснялось, микропорошок значительно увеличивает доступную для испарения площадь поверхности. В то же время взаимодействие молекул воды с поверхностью частиц уменьшает взаимодействие вода-вода, что эффективно вызывает локальное уменьшение температуры испарения воды. Это вызывает значительное ускорение испарение воды (стрелки). Датчики температуры 151а и 151b определяют разницу температуры между газообразной и жидкой фазами и, если необходимо, сосуд 101 может быть нагрет (нагреватель не показан) для поддержания перепада температуры. Вентилятор 107 распространяет пар в конденсатор 108, в котором пар превращается в жидкую воду. Может использоваться гидрозамок (не показан), так что жидкая вода может отводиться в сборный сосуд для воды без сбрасывания перепада давления, вызываемого конденсацией. Дополнительную морскую воду распыляют из распылителя 105 для увеличения давления водяных паров в сосуде 101.

Время от времени концентрированный солевой раствор, накапливающийся в сосуде 101, удаляют (не показано). Микропорошок выделяют фильтрацией, центрифугированием или простым гравитационным осаждением. В случае, если используется целлюлозный микропорошок, возможно просто удалять использованный порошок, поскольку он полностью биоразрушаем. Обычно концентрированный солевой раствор может быть просто закачан обратно в океан через дисперсный трубопровод для того, чтобы избежать избыточного локального увеличения солености. В качестве альтернативы, если существует доступный рынок для солевого раствора, он может использоваться в промышленности в качестве, например, химического исходного сырья.

В представленном на чертеже устройстве сосуд 101 имеет размер 70×80×100 см. Два мотора 102 установлены параллельно (на чертеже показан только один), при этом мощность каждого мотора составляет примерно 1,5 кВт. Микропорошок 104 перемешивают крыльчатками 103 со скоростью примерно 100 об/мин.

Скорость испарения и объем возрастают с увеличением вращения и увеличением температуры. Однако температуры выше оптимальной величины могут вызвать разрушение порошка. В этом примере температура в сосуде испарения установливалась не более чем 70°С. Неорганические микропорошки не разрушаются при температурах, достигаемых в этом устройстве. Однако целлюлозный материал обладает превосходными свойствами.

Микропорошок, содержащийся в сосуде 101, может быть, например, смесью 25 кг древесного порошка и 5 кг кремнезема. Смесь перемешивают крыльчаткой 103, в то время как тринадцать литров морской воды распыляют при контролируемом условии 70°С. Вода испаряется при продолжении перемешивания. Океаническая вода в количестве около 6 л/час добавляется для замещения испарившейся воды. Если тот же эксперимент проводить без добавления микропорошка, то будет испаряться менее чем 1 л/час. Это показывает по крайней мере шестикратное улучшение благодаря микропорошку.

Второй пример

Чтобы подчеркнуть, что изобретение не ограничивается использованием океанической воды, во втором примере использовали загрязненную речную воду. Чистая вода может быть получена из любого водного раствора, загрязненного нелетучими примесями. Например, ирригационные стоки или оборотная сточная вода могут быть легко опреснены по настоящему изобретению.

Основная система была такой же, как и объяснено в первом примере. Единственные отличия от первого примера подробно изложены. В сосуд 101 помещали 25 кг древесного микропорошка и перемешивали крыльчатками 103. Помимо этого, управляющий блок 150 устанавливал температуру испарения 50°С. В отличие от океанической воды загрязненную воду из реки подавали через распыляющее сопло 105 после предварительного нагрева до 40°С. Здесь первоначально 10 л воды загружали медленно для предотвращения падения температуры в сосуде. В результате из конденсатора 108 получали около 2 л/час чистой воды. Если тот же эксперимент проводили без древесного микропорошка, количество полученной чистой воды было бы незначительным.

Таким образом, следующая формула изобретения должна пониматься, как включающая то, что определенным образом изображено и описано выше, и что концептуально эквивалентно тому, что может быть очевидно заменено и также, что в значительной степени включает основную идею изобретения. Специалистами в данной области техники будет оценено то, что различные изменения и модификации описанного предпочтительного осуществления изобретения могут быть проведены без отклонения от пределов изобретения. Проиллюстрированное осуществление изобретения приведено только в целях примера и не должно рассматриваться как ограничивающее изобретение. Таким образом, необходимо понимать, что в пределах прилагаемой формулы изобретения изобретение может быть осуществлено на практике отлично от того, что определенным образом описано здесь.