СПОСОБ ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ Российский патент 2004 года по МПК C02F1/00 C02F5/02 C02F103/08 

Настоящее изобретение относится к способу опреснения морской или солоноватой воды.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В коммунальном хозяйстве, промышленности, сельском хозяйстве все больше и больше растет потребность в воде, и ее не хватает во многих регионах мира. Морскую воду невозможно использовать, потому что она содержит соль, а существующие способы удаления соли медленные, трудно осуществимые, дорогостоящие и, кроме того, они требуют большого расхода энергии. Потребление энергии растет во всем мире, при этом большая ее часть производится за счет сжигания нефти, газа, угля, древесины и других органических материалов, что загрязняет окружающую среду.

Экологи всего мира рекомендуют сократить выбросы диоксида углерода (СО₂), производимого и в настоящее время сбрасываемого в атмосферу, чтобы защитить окружающую среду от вредного парникового эффекта, которым обладают газы CO₂. Поэтому многие государства обязались сократить свои выбросы CO₂, приняв это требование на уровне закона.

Следовательно, настоящее изобретение очень важно, поскольку оно предлагает практический способ производства больших количеств опресненной морской воды с низкими затратами, используя для способа CO₂, содержащийся в отходящих газах от сжигания, который иначе мог бы загрязнить окружающую среду. Не существует экономичного способа, обеспечивающего оба эти результата одновременно, хотя другие способы используют похожие химические вещества. В частности, способ с аммиачной кальцинированной содой, который был усовершенствован Эрнстом Солвеем в 1865 году путем насыщения концентрированного раствора хлорида натрия аммиаком и пропускания диоксида углерода через него для получения кальцинированной соды.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Указанная цель и другие цели и преимущества достигаются в соответствии с настоящим изобретением, включающем химический способ опреснения морской воды и удаление СО₂ из отходящих газов. Молекулы соли (NaCl) имеют сильные внутренние связи между атомами Na- и Сl-, которые разрушают в две стадии.

В соответствии с настоящим изобретением на первой стадии катализатор, которым является аммиак NН₃, отмеряют и смешивают с морской водой, которая содержит примерно 3 мас.% соли, которую необходимо удалить. Аммиак легко смешивается с водой и образует NH₄ОH, который содержит очень агрессивные молекулы реагента. Эти молекулы обладают сильным притяжением и тянут к себе Cl-атом молекул соли в морской воде. Это ослабляет внутренние связи и делает соль более уязвимой.

Вторую стадию указанного способа осуществляют в закрытой технологической камере, расположенной выше отстойника. В способе используют отходящие газы сжигания, богатые СО₂, которые обычно сбрасывают в атмосферу, нанося при этом вред окружающей среде. Газ поступает через входное отверстие, расположенное на одной стороне, и остается в камере для обработки. Остаток газа уходит через выпускное отверстие, расположенное на другой стороне. Смесь морской воды закачивают в технологическую камеру к многочисленным выпускным отверстиям, расположенным в верхней части, и рассеивают в виде не сбивающегося в комья тумана.

Молекулы газа СО₂ притягиваются к атому Na в соли, дополнительно разупрочняя и разрывая молекулу соли в тумане из морской воды. Образуются два тяжелых твердых вещества, они оседают в отстойнике и их удаляют в нижнем сливе через выпускное отверстие.

Опресненная морская вода перетекает из отстойника в больших количествах на тонну соли, поскольку в морской воде присутствует примерно только три процента соли. Опресненную морскую воду можно затем использовать для коммунальных нужд, в промышленности и в сельском хозяйстве. Эта вода, тем не менее, содержит некоторые количества растворенного аммиака и планктона, а также живые организмы, которые в океане являются питательными веществами для другой морской живности.

Такие питательные вещества можно использовать также в качестве удобрения почвы в сельском хозяйстве. В противном случае, там, где это нужно, их можно удалять из воды интенсивной аэрацией и биологическими способами или с помощью незасоряемых фильтров. Коллоидные вещества флоккулируют и их удаляют в виде шлама или осадка на фильтре.

Два твердых вещества для разрушения соли и удаления газа СО₂ представляют собой карбонат натрия Nа₂СО₃ с удельной массой 2,53 и хлорид аммония NH₄CI с удельной массой 1,53.

Эти два твердых вещества можно разделить с помощью гидроциклонного сепаратора, воздушного переноса и распыления или других средств. У карбоната натрия есть хороший рынок сбыта и благоприятные цены. Он может окупить стоимость всего процесса, и даже более, превращая опресненную воду в бесплатную. Из NH₄Cl можно возвращать в оборот аммиак при помощи термической обработки с оксидом кальция СаО или превращая в NH₃ и HCl.

Химическая формула (или уравнение) реакции разрушения соли, в которой морская вода служит носителем и в результате которой удаляют 3 мас.% соли, для 1 тонны соли имеет вид:

Способ согласно изобретению можно осуществить с помощью технологической камеры, включающей верхнюю тарелку и цилиндрическую стенку, при этом камера расположена над отстойником с цилиндрической стенкой, подсоединенной к коническому днищу со сборным колодцем. Впускная труба с многочисленными распылительными выходными отверстиями подает морскую воду, смешанную с аммиаком. Впускной канал подает отходящий газ сжигания с СО₂ газом в технологическую камеру. Выпускной канал удаляет остаток отходящего газа.

Верхний водослив и переливная труба сбрасывают морскую воду, из которой удалена соль. Щитки и кольцо переливной крышки захватывают и разбрызгивают воду для дополнительного удаления соли. Трубный конвейер удаляет нижний слив из колодца при помощи впрыскивания воздуха, который перемешивает и облегчает материал из колодца и распыляет его в сепаратор. Воздух удаляют из верхней части сепаратора.

ОПИСАНИЕ ЧАСТНЫХ ФОРМ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Усовершенствованный способ обработки или установка согласно изобретению, где достигают разрушения молекул и существенного снижения содержания естественной соли в морской воде или другой соленой воде в непрерывном химическом процессе, осуществляемом в одной или нескольких закрытых технологических камерах, каждая из которых расположена над отстойником и установлена последовательно или параллельно.

Отходящий газ с высоким содержанием СО₂ обычно сбрасываемый при сжигании газа, нефти или угля на электростанциях, в топках и других устройствах для сжигания, наносит вред окружающей среде при попадании в верхние слои атмосферы.

Отходящий газ отводят в технологические камеры, и газ СО₂, удаляемый из отходящих газов, используют в способе. Перед тем как морскую воду закачают в технологическую камеру и распылят в виде мелких брызг через многочисленные точки возле верхней ее части, в воду в качестве катализатора добавляют аммиак и перемешивают с ним в количествах, пропорциональных соли, для того чтобы разупрочнить внутреннюю связь в соли. Мелкие брызги ударяются об один или несколько щитков, и поскольку газ СО₂ действует как сильный реагент, присоединяется к разупрочненным молекулам соли и разрывает их.

Из атомов соли, аммиака, СО₂ и воды образуются два тяжелых твердых вещества, которые затем удаляют. Этими соединениями являются карбонат натрия и хлорид аммония.

В отстойнике, расположенном ниже, морскую воду с удаленной солью сбрасывают из отстойника в виде верхнего слива, а тяжелые твердые вещества оседают и их удаляют в виде нижнего слива, после чего их можно извлечь.

Ряд технологических камер можно использовать различными способами. Если две, три или более технологических камер установлены параллельно, то происходит пропорциональное снижение расхода морской воды, соли, аммиака и СО₂, на квадратный метр площади камеры и повышение опреснения морской воды.

В другом примере, если три подобные технологические камеры установлены последовательно и отходящий газ сжигания перетекает из одной камеры во вторую и в третью, а оставшийся отходящий газ затем там сбрасывают, то морскую воду, перемешанную с аммиаком, можно закачивать во вторую камеру и обрабатывать там.

Но если обрабатываемая морская вода все еще содержит слишком много соли, ее можно проверить на достаточное содержание аммиака и закачать в первую технологическую камеру для процесса доочистки, чтобы удовлетворить требованиям, предъявляемым к опреснению.

Для того чтобы удалить остатки газа CO₂, можно, если это необходимо, направить и распылить небольшое количество закачанной перемешанной морской воды в третьей технологической камере для процесса доочистки.

Способ согласно изобретению предназначен в основном для морской воды, которая имеет относительно постоянное содержание соли. Морская вода содержит около 3 мас.% соли, но ее процентное содержание будет колебаться в зависимости от места. Во фьордах и узких бухтах, которые получают большие количества пресной воды, процентное содержание соли будет меньше. В тропических зонах и на небольших глубинах содержание соли выше, но в целом оно не превышает 4 мас.%.

Магний, кальций и калий присутствуют в морской воде в очень небольших концентрациях по сравнению с солью натрия. Эти металлы необходимы многим живым клеткам, а часть из них можно удалить в описанном процессе.

Морская вода также содержит планктон и другие микроорганизмы, которые служат в океане в качестве важного источника питания для другой морской живности.

Эти микроорганизмы могут также служить в качестве удобрения, когда опресненную воду применяют в сельском хозяйстве в засушливых или полузасушливых районах, там, где рост населения и засуха делают опресненную морскую воду чрезвычайно ценным источником, как, например, в Калифорнии, Гонконге и на Среднем Востоке. В арабских странах сжигают много газа на нефтяных скважинах, и в предложенном способе газ СО₂, получаемый при сжигании, можно уловить и удалить, чтобы избежать загрязнения атмосферы. Этот газ можно использовать в качестве топлива для электростанций.

Такой отходящий газ можно отводить, а вредный газ СО₂ можно удалять и использовать в способе согласно изобретению для опреснения в больших количествах морской воды, которая затем может понадобиться для повышения плодородия земель в сельском хозяйстве. Сейчас аммиак производят в больших количествах по низкой цене, поэтому вторичная переработка, возможно, окажется ненужной или нерентабельной. Следует понимать, что в качестве альтернативы в настоящем изобретении можно использовать соленую воду вместо морской воды с использованием максимальной концентрации соли, равной 22%, во избежание комкования и обеспечения надежности процесса.

Настоящее изобретение было раскрыто в отношении определенных предпочтительных вариантов воплощения и следует понимать, что различные его модификации и варианты, очевидные для специалистов, могут быть включены в объем патентных притязаний.

Изобретение относится к опреснению морской воды и солоноватой воды и к удалению вредного газа СО₂, содержащегося в выбросах из установок для сжигания. Для осуществления способа отходящий газ, богатый диоксидом углерода (СО₂), отводят в технологическую камеру, при этом морскую воду после перемешивания с аммиаком, предназначенным для ослабления связи в молекулах соли NaCl, закачивают в камеру и рассеивают во многих точках возле верхней ее части в виде мелких брызг, подвергая там воздействию отработанного газа, содержащего СО₂. Внутренние связи молекул соли NaCl ослабевают благодаря присутствию в воде аммиака, присоединяющего и оттягивающего атом Cl. В камере СО₂ присоединяется и оттягивает атом Na от молекул соли и дополнительно ослабляет связи, разрывая их. Образовавшиеся два тяжелых твердых вещества Na₂CO₃ и NH₄Cl удаляют в отстойнике, расположенном ниже. Опресненная морская вода перетекает из отстойника для ее последующего использования в коммунальном и сельском хозяйствах. При этом также обеспечивается утилизация отходящего газа и удаление вредного СО₂ из отходящих газов перед их сбросом из технологической камеры в окружающую среду. Твердое вещество - соль NH₄Cl можно повторно перерабатывать для получения аммиака, а второе твердое вещество - соль NH₂CO₃ является товарным продуктом, который может окупить стоимость процесса. Способ предназначается в основном для опреснения воды с максимальной концентрацией соли 22%. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ опреснения морской или солоноватой воды, включающий перемешивание аммиака (NH₃) с указанной водой с образованием эффективного количества гидроксида аммония (NH₄OH) для вступления его в реакцию с молекулами соли NaCl, присутствующими в указанной воде, и разупрочнения связи в указанных молекулах NaCl, распыление указанной воды в виде мелких брызг в закрытой технологической камере возле ее верхней части, воздействие на распыленную воду эффективным количеством отработанного газа сжигания (СО₂) для вступления в реакцию с указанными разупрочненными молекулами и образования и удаления твердых веществ карбоната натрия (Na₂CO₃) и хлорида аммония (NH₄Cl) в отстойнике, расположенном ниже указанной технологической камеры, осаждения и удаления твердых веществ через выпускную трубу нижнего слива и сброса опресненной воды в виде верхнего слива из указанного отстойника.2. Способ по п.1, в котором указанная технологическая камера снабжена щитками для захватывания и разбрызгивания указанной воды для дополнительного удаления соли.3. Способ по п.1, в котором указанная вода имеет максимальную концентрацию соли, равную 22%, во избежание комкования во время процесса.4. Способ по п.1, в котором указанный процесс осуществляют в двух или более камерах, установленных последовательно или параллельно, для максимального удаления соли.