УСТРОЙСТВО ДЛЯ САМОПРОИЗВОЛЬНОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ РАСТВОРЕННЫХ В НЕЙ СОЛЕЙ Российский патент 1998 года по МПК B01D61/00 

Изобретение относится к мембранной технологии, а именно к способам осуществления процесса самопроизвольной очистки жидкости.

В качестве прототипа выбрано устройство, представляющее собой мембрану для осуществления процесса самопроизвольной очистки жидкостей по методу аномального осмоса. Поры в мембранном устройстве по прототипу одинаковые по размеру как со стороны раствора, так и растворителя (Кульчицкий Л.И. и др. Влияние аномальной вязкости поровых растворов в микрокапиллярах глин на процесс диффузионного переноса ионов. - Коллоидный журнал, 1975, т. 37, N 5, с. 878-884).

Установлено, что сущность аномального осмоса состоит в проявлении энтропоосмоса - самодвижения жидкости в направлении роста ее структурной организованности, т.е. против градиента структурной организованности. Явление энтропоосмоса, как и действие поля тяготения в приведенном аналоге, относится к антиэнтропийным факторам, обеспечивающим протекание процессов самоорганизации в неживой природе. В опытах по аномальному осмосу в порах мембраны, разделяющей раствор и воду, возникает асимметрия относительно параметра структурной организованности воды вследствие того, что ионы солей разрушают граничные слои воды на поверхности пор (сначала только со стороны раствора) и тем самым понижают уровень структурной организованности воды со стороны раствора. В результате по толщине мембраны формируется градиент структурной организованности воды, направленный к объему с раствором, в соответствии с которым зарождается энтропоосмотический поток воды в объем с чистой водой.

Способ очистки жидкостей по методу аномального осмоса при помощи мембраны с симметричными порами позволяет понижать концентрацию раствора без затрат энергии.

Недостатками указанного способа являются низкая производительность (единицы миллилитров в сутки), низкая степень очистки и небольшая продолжительность функционирования мембраны вследствие того, что по мере выравнивания концентрации в мембране происходят "проскок" ионов в объеме с чистой водой, а также исчезновение градиента структурной организованности воды и прекращение процесса аномального осмоса.

Кроме того, известно применение асимметричных полупроницаемых мембран для принудительной очистки жидкостей по методу обратного осмоса (авт. св. СССР N 894923, кл. B 01 D 13/00). Асимметрия ядерных фильтров Флерова обусловлена заданной геометрической формой пор. При осуществлении способа очистки по методу обратного осмоса асимметричные полупроницаемые мембраны с коническими порами, изготовленные из любого материала (металл, керамика, стекло, пластмасса и др. ) устанавливают узкой частью к объему с раствором, чтобы предохранить широкую часть пор от засорения (Брок Т. Мембранная фильтрация. - М.: Мир, 1987, с. 87).

Недостатками применения асимметричных полупроницаемых мембран для очистки жидкостей по методу обратного осмоса являются большие энергетические затраты, короткий срок службы (1 год), а также сложное аппаратурное оформление.

Цель данного изобретения - повышение производительности процесса самопроизвольной очистки жидкости, расширение области применения, упрощение аппаратурного оформления, а также обеспечение непрерывности и селективности процесса.

Указанную цель достигают за счет применения асимметричных полупроницаемых мембран в качестве устройства для осуществления процесса самопроизвольной очистки жидкостей по методу аномального осмоса. Для этого применяют полупроницаемые мембраны, асимметрия которых обусловлена конической формой пор. Одновременное наличие у мембран свойств асимметричности относительно параметра структурной организованности, заданной геометрией пор, а также полупроницаемости обеспечивают, во-первых, формирование самопроизвольного потока жидкости из раствора в чистый растворитель (если узкая часть пор мембраны обращена к объему с чистым растворителем) и, во-вторых, высокую селективность, поскольку через полупроницаемую мембрану проходят только частицы растворителя.

Сущность технологии самопроизвольной очистки жидкостей за счет применения асимметричных полупроницаемых мембран, а также порядок пользования ими поясняются чертежом.

Устройство представляет собой резервуар 1, форма которого произвольна или задана жесткой подложкой; 2 - трубка для отвода очищенной жидкости. Стенка резервуара - это асимметричная полупроницаемая мембрана, широкая часть пор которой обращена к очищаемой жидкости (А - увеличенный фрагмент мембраны).

Пример 1. В лабораторных условиях была получена асимметричная полупроницаемая мембрана путем напыления глинопорошков через сито в обойму диаметром 3 см. Слои глинистых минералов равной толщины напыляли в следующей последовательности: каолинит, смесь каолинита с вермикулитом в соотношении 2:1, затем 1:1 и 1:2, чистый вермикулит, смесь вермикулита с палыгорскитом в соотношении 2:1, затем 1:1 и 1:2, чистый палыгорскит, смесь палыгорскита с бентонитом в соотношении 2:1, затем 1:1 и 1:2, чистый бентонит. Далее произвели полную гидратацию пресной воды и на прессе отжали избыточное количество воды путем постепенного увеличения давления до 2,5 МПа в течение 4 ч.

Затем глинистую мембрану поместили в кернодержатель установки УИПК-1М и привели в контакт с чистой водой со стороны ее бентонитового слоя и с 5%-ным раствором хлористого кальция со стороны каолинитового слоя. За время эксперимента объем чистой воды увеличился на 5 см³. В отобранной пробе воды присутствие ионов кальция не установлено. Таким образом, давление прессования глинистой мембраны 2,5 МПа обеспечило полупроницаемые свойства бентонитового слоя, а подбор глинистых минералов с различной величиной частиц обусловил уменьшение среднего диаметра пор в направлении от каолинитового слоя к бентонитовому. Переток воды из раствора в чистую воду подтвердил возможность применения асимметричных полупроницаемых мембран в качестве устройства для осуществления самопроизвольной очистки жидкостей.

Пример 2. У морских птиц, черепах и других животных самопроизвольное обессоливание осуществляется при помощи полупроницаемых мембран с носовой гланде. При этом поступающая морская вода разделяется на рассол с концентрацией в 5 раз большей, чем в морской воде и пресную воду, усваиваемую организмом (Оприш Т. Занимательная бионика. Бухарест: Альбатрос, 1986, с. 123). Поскольку ничего похожего на обратный осмос или дистилляцию в носовой гланде не происходит, то можно говорить об использовании самопроизвольного процесса очистки жидкости, который возможен при наличии свойства асимметрии у полупроницаемых мембран.

Для реализации заявляемого изобретения в наибольшей степени подходят ядерные фильтры Флерова (авт. св. СССР N 894923) с конической формой пор, изготовленные из тонкого материала (толщина 5-12 мкм).

В изобретении решается новая задача - осуществление процесса самопроизвольной очистки жидкости при помощи известного устройства на основе новых теоретических представлений об аномальном осмосе. Это дает основание сделать вывод о том, что новое техническое решение отвечает критерию "существенные отличия". Об этом так же свидетельствуют результаты патентного и литературного поиска.

Преимущественной областью применения изобретения является очистка промышленных стоков, регенерация растворителей в химической промышленности и, главным образом, опреснение морской воды. Широкое применение недорогих асимметричных полупроницаемых мембран из тонких пленок позволит уже в ближайшее время существенно облегчить решение экологических, социальных и экономических проблем.

Таким образом, применение асимметричных полупроницаемых мембран толщиной, измеряемой микрометрами, для осуществления процесса самопроизвольной очистки жидкостей позволит:
повысить производительность процесса, которая тем выше, чем тоньше мембрана;
расширить область применения и упростить аппаратурное оформление, так как для осуществления процесса требуется всего лишь устройство (резервуар со стенками из асимметричной полупроницаемой мембраны) привести в контакт с очищаемой жидкостью;
обеспечить перерывность и селективность процесса, поскольку асимметрия и полупроницаемые свойства мембраны обусловлены геометрической формой пор.

Экономический эффект от внедрения изобретения будет заключаться, главным образом в экономии энергетических затрат. Если даже пренебречь разницей в затратах на сооружение и обслуживание промышленных устройств для опреснения воды по наиболее экономичному обратноосмотическому способу и по заявляемому методу аномального осмоса, то экономия затрат энергии при производстве 1 млн.м³ пресной воды составит
1,362 кВт•ч/м³ • 10⁶ м³ = 1362 МВт•ч.

Сущность изобретения: для самопроизвольной очистки воды от растворенных в ней солей предлагается использовать асимметричную глинистую полупроницаемую мембрану. 1 ил.

Применение глинистой полупроницаемой асимметричной мембраны в качестве устройства для самопроизвольной очистки воды от растворенных в ней солей.