способ опреснения морской воды

Формула изобретения

Способ опреснения морской воды, включающий ее последовательную обработку в электролизере, представляющем собой цилиндрическую электролитическую камеру, выполненную в виде вставки в основной трубопровод, ось которого совпадает с осью электролитической камеры, при этом электролитическая камера состоит из двух секций, в каждой из которых установлены цилиндрические электроды, один из которых установлен по оси электролитической камеры, а второй - на ее внутренней поверхности, и разделена общей для обеих секций цилиндрической проницаемой для электрических зарядов перегородкой на анодные и катодные зоны, имеющие одинаковые геометрические размеры в обеих секциях, причем при переходе из одной секции в другую анодные и катодные зоны меняются на противоположные, при этом морскую воду последовательно пропускают сначала через одну, а затем через другую секцию.

Описание изобретения к патенту

1. Область техники

Настоящее изобретение относится к способам опреснения морской воды и может быть использовано для получения практически любых объемов воды, требуемой для эффективного использования в сельскохозяйственной, коммунальной и других отраслях жизнедеятельности, из неограниченного источника дешевого сырья - засоленных подземных вод, вод океанов и морей.

2. Уровень техники

Технический прогресс, связанный с растущим потреблением пресной питьевой и технической воды в коммунальной, добывающей, сельскохозяйственной и других отраслях техники, обуславливает растущую потребность в чистой воде, которая в связи с техногенным загрязнением окружающей среды становится все большим дефицитом. В то же время нас окружают гигантские запасы морской и океанической соленой воды, планктон и другие примеси в которой могли бы служить удобрением, повышающим плодородие земель, орошаемых опресненной морской водой. Еще большие запасы засоленной воды находятся в недрах Земли.

В настоящее время наиболее распространенным методом опреснения морской воды в промышленных масштабах является электродиализ, когда с помощью ионитовых мембран, отделяющих боковые камеры от центральной, в боковые камеры пропускают в зависимости от знака заряда на поверхности ионитовых мембран преимущественно или катионы, или анионы морской воды (Деминерализация методом электродиализа (ионитовые мембраны), пер. с англ. М., 1963 г.).

Известен способ электролитической обработки воды с целью улучшения ее свойств в проточной гидравлической системе, включающей три последовательно соединенных между собой диафрагменных электролизера, в которых воду последовательно обрабатывают в катодной камере первого электролизера, затем в анодных камерах второго и третьего электролизеров (патент США № 3910829, кл. 204-151, 1975 г.).

Недостатком известного способа является то, что вода, обработанная в соответствии с этим способом, не отвечает требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Кроме того, способ требует помимо трех диафрагменных электролизеров наличия системы, синхронно задающей режимы работы электролизеров, что значительно усложняет практическую реализацию способа.

Известен способ опреснения морской воды, включающий перемешивание аммиака (NH₃) с исходной водой с образованием гидроксида аммония (NH₄OH) для вступления его в реакцию с молекулами соли NaCl, присутствующими в исходной воде, и разупрочнения связи в молекулах NaCl, распыление указанной воды в виде мелких брызг в верхней части закрытой технологической камеры, воздействие на распыленную воду эффективным количеством отработанного газа сжигания (СО₂) для вступления в реакцию с указанными разупрочненными молекулами, образования и удаления твердых веществ: карбоната натрия (Na₂CO₃) и хлорида аммония (NH₄Cl) в отстойнике, расположенном ниже указанной технологической камеры (RU № 2239602, кл. C02F 1/00, 2000 г.).

Недостатки аналога состоят в том, что рассеивание мелких брызг энергозатратно и практически невозможно при высокой производительности опреснения, а использование аммиака и углекислого газа значительно повышает стоимость каждой единицы объема опресненной воды. Кроме того, способ предназначен в основном для опреснения воды с максимальной концентрацией соли 22%, тогда как наибольшая концентрация соли в морской и океанической воде не превышает 5%.

Наиболее близким аналогом заявленного предложения, принятым в качестве прототипа, является способ обессоливания соленой воды путем повторного электролиза в течение длительного времени, включающий электрообработку ее постоянным электрическим током в электролитической камере, разделенной пористой перегородкой на анодное и катодное пространство (CN № 101033093, кл. C02F 1/461, 12.09.2007 г.).

Недостатки прототипа состоят в том, что многократный и длительный по времени электролиз требует больших затрат электроэнергии и времени.

3. Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является организация операций обработки опресняемой воды, пропускаемой через электролизер, с минимальными затратами времени и электроэнергии.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе опреснения морской воды производят ее последовательную обработку в электролизере, представляющем собой цилиндрическую электролитическую камеру, выполненную в виде вставки в основной трубопровод, ось которого совпадает с осью электролитической камеры, при этом электролитическая камера состоит из двух секций, в каждой из которых установлены цилиндрические электроды, один из которых устанавливают по оси электролитической камеры, а второй - на ее внутренней поверхности, и разделена общей цилиндрической проницаемой для электрических зарядов перегородкой на анодные и катодные зоны, имеющие одинаковые геометрические размеры в обеих секциях, причем при переходе из одной секции в другую анодные и катодные зоны меняются на противоположные, при этом морскую воду последовательно пропускают сначала через одну, а затем через другую секцию.

4. Сущность изобретения

Реализации заявленного способа изображены на фиг.1, где изображена технологическая схема опреснения морской воды, и на фиг.2, где представлена конструкция (схема) электролизера. На фиг.1 показан источник морской воды 1, заборное устройство 2, питающий трубопровод 3 с насосной станцией 4, электролизер 5, представляющий собой цилиндрическую электролитическую камеру, выполненную в виде вставки в основной трубопровод, ось которого совпадает с осью камеры, состоящей из двух секций 11 и 12, расположенных по ходу потока, в каждой из которых установлены цилиндрические электроды, один из которых 14 устанавливают по оси электролитической камеры 11 и 12, а второй 13 - на ее внутренней поверхности, при этом внутренний диаметр его цилиндра совпадает с внутренней поверхностью трубопровода, и разделенной общей цилиндрической проницаемой для электрических зарядов перегородкой 15 на анодные и катодные пространства, имеющие одинаковые геометрические размеры и являющиеся продолжением одно другого, причем полярность знаков электродов в каждой из секций противоположна. В секции 11 электролизера поток воды во внутреннем пространстве цилиндрической перегородки 15 является катодной зоной вокруг катода 14, а внешнее пространство вокруг перегородки 15 является анодной (положительно заряженной) зоной. В секции 12 электролизера катодные и анодные зоны меняются местами, что обеспечивает эффективный электролиз воды - оптимальное ее опреснение. Работает описанное устройство следующим образом.

Морская вода представляет собой электролит, в котором присутствуют в наиболее заметных концентрациях, моль/кг: H ₂O - 53,6; Cl^- - 0,546; Na⁺ - 0,469; Mg²⁺ - 0,0528, - ионы, обуславливающие проводимость электрического тока (Измайлов Н.А. Электрохимия растворов. 3 изд. М., 1976).

Ионная проводимость обеспечивается следующим образом. Под действием напряженности электрического поля, создаваемой за счет подключения к источнику постоянного тока анода (+) и катода (-) электролизера, представляющего собой цилиндрическую электролитическую камеру, выполненную в виде вставки в основной трубопровод, ось которого совпадает с осью электролитической камеры, при этом электролитическая камера состоит из двух секций, в каждой из которых установлены цилиндрические электроды, один из которых устанавливают по оси электролитической камеры, а второй - на ее внутренней поверхности, и разделена общей цилиндрической проницаемой для электрических зарядов перегородкой на анодные и катодные зоны, имеющие одинаковые геометрические размеры в обеих секциях, причем при переходе из одной секции в другую анодные и катодные зоны меняются на противоположные, при этом морскую воду последовательно пропускают сначала через одну, а затем через другую секцию.

В процессе работы электролизера положительные ионы (катионы) идут к катоду 14 секции 11 цилиндрической электролитической камеры 5, установленной на подающем воду трубопроводе 3 (фиг.1), где получают недостающие им электроны, в то время как отрицательные ионы (анионы) идут к аноду 13, которому они отдают лишние электроны. Таким образом, обеспечивая ионную электропроводность раствора, электроды нейтрализуют поступившие к ним ионы, превращающиеся в атомы соответствующих веществ, выпадающие в осадок на дно отстойника 7, расположенного за секцией 12, т.е. анионы и катионы опресняемой воды отдают лишние электроны аноду или анионам и получают недостающие электроны от катода или от катионов, в результате реакций замещения электронов с одновременной нейтрализацией соответствующих зарядов, как анионов, так и катионов, выпадающих из раствора в отстойнике 7, расположенном за электролитической камерой 5 (фиг.1).

Вода в анодной зоне в течение долей секунды насыщается высокоактивными окислителями: HClO, О₃, H₂O₂ и др., обеспечивающими деструкцию примесей и бактерий.

При поступлении в опресняемую воду гидратированных электронов (e^- _aq), т.е. окруженных сольватной оболочкой электронов е^-, источником которых является электролизер, на катодах и анодах (частично в объеме воды, где имеют место обменные реакции, вызванные разными значениями сродства к электрону тех или иных веществ) происходят химические реакции типа следующих (Харт Э., Анбар М. Гидратированный электрон. М.: «Атомиздат». 1973. 268 с.):

катодные реакции:

2Na⁺ + 2e^- _aq + SO₄ ^2- Na₂SO₄ (e^- _aq играет ассоциирующую роль);

Na⁺ + Cl^- + e^- _aq NaCl (e^- _aq играет ассоциирующую роль);

Ca²⁺ + 2e^- _aq + 2Н₂О Са(ОН)₂ + Н₂ (e^- _aq играет ассоциирующую роль);

анодные реакции:

2Cl^- - 2е^- _aq Cl₂ ;

4OH^- - 4e^- _aq 2Н₂ + O₂ ;

2Al⁺⁺⁺ + 3H₂O + 6е^- _aq Al₂O₃ + 3H₂ .

Во время протекания исходной воды через анодное пространство образуются продукты анодного окисления, например HClO, ClO^-, а также озон и кислород, которые окисляют микроорганизмы и органические примеси (планктон и др.) по типу:

НСНО + 2OH^- - 2е^- _aq Н₂ + CO₂ + H₂O.

Таким образом, проходя сначала через анодную (катодную), а затем катодную (анодную) камеры электролизера, морская вода подвергается нейтрализации как катионов, так и анионов, попутно обеспечивая диссоциацию органических примесей (планктон и др.) в формы, более доступные для усвоения сельскохозяйственными растениями.

Электрические параметры электролизера устанавливают из условия обеспечения требуемой степени обессоливания морской воды и ее водородного показателя исходя из того, что при большей напряженности электрического поля обеспечиваются лучшие результаты обработки.

Учитывая, что для соответствующих технологических процессов желательна вода с той или иной степенью водородного показателя (pH), необходимую воду можно получить соответствующей настройкой параметров электролизера, в частности напряженности его электрического поля или увеличения площади контактов электродов. Так, известно, что, например, для промывки нефтяных или газовых скважин нужна щелочная вода, для переработки кожи или для дезинфекции помещений - кислая, а для большей части сельскохозяйственных культур в качестве оросительной воды наиболее благоприятной является вода с pH>7,0, которую агрономы называют «живой водой», в отличие от воды с pH<7,0 («мертвая вода»). При этом те или иные виды растений предпочитают воду с разным значением pH, вплоть до pH<7,0, которую потребляют солончаковые растения, цветущие и плодоносящие только на солончаках (Генкель П.А. Основные пути изучения солеустойчивости растений. «Сельскохозяйственная биология», 1970, т.5, № 2).

Как видим, способ согласно предложению можно осуществить с помощью электролизера, установленного на подающем трубопроводе, в котором размещены цилиндрические электроды, к которым подключают постоянный электрический ток. Учитывая высокую электропроводность морской воды, в 4000 раз превышающую электропроводность обычной питьевой воды, анодные и катодные процессы будут происходить во всем объеме воды, пропускаемой через электролитическую камеру.

5. Технические результаты

Настоящее изобретение предлагает дешевый способ производства больших объемов опресненной морской воды без использования дорогостоящих химических веществ и без значительных затрат электроэнергии, как, например, при электродиализе или обратном осмосе. Кроме того, можно перерабатывать засоленную подземную воду, которой в недрах Земли содержится на порядок больше, чем в морях и океанах (Фюрон Р. Проблемы воды на земном шаре. М., 1966 г.).

В заявленном предложении химические реакции происходят с участием гидратированных электронов, неиссякаемым источником которых является окружающее пространство, в том числе сама вода. При этом обеспечивается соответствующая современным требованиям мелиорации (десятки кубометров в сек) высокая производительность процесса опреснения воды, происходящая непосредственно в перекачивающем воду трубопроводе. Твердые осадки, выпадающие в отстойнике, размещенном после электролитической камеры, удаляются в больших количествах (отношение воды к осадку примерно составляет 100:3) и могут использоваться в добывающей промышленности (вплоть до золотодобычи) и как стройматериалы.

Планктон и ряд солей, содержащиеся в опресненной воде, будут служить удобрением для орошаемых земель, а хозяйственное использование осадка, выпадающего в отстойниках, будет способствовать как повышению рентабельности процесса опреснения, так и решению проблемы очистки.

Преимущество заявленного способа по сравнению с прототипом состоит в том, что он обеспечивает в большей мере возможности как анодной, так и катодной нейтрализации вредных веществ, которые выводятся из опресняемой морской воды, при более высоких технико-экономических показателях процесса опреснения.