ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭКСТРАКЦИИ СЕЛЕКТИВНЫМ РАСТВОРИТЕЛЕМ Российский патент 2015 года по МПК C02F1/26 B01D11/04 C02F101/10 C02F103/08 

Предпосылки

Ожидается, что в этом столетии дефицит пресной воды превысит дефицит энергии, как глобальная проблема человечества; и эти две проблемы связаны неразрывно. Пресная вода является одной из наиболее основных потребностей человека и других организмов. Каждому человеку необходимо потреблять минимум два литра воды в день в дополнение к огромным потребностям в пресной воде фермерства, а также промышленных процессов. Между тем, техника для транспортировки пресной воды или для получения пресной воды опреснением стремится быть очень требовательной к все более скудным запасам доступной энергии.

Опасности, связанные с недостаточными запасами воды, особенно остры. Дефицит пресной воды может привести к голоду, болезням, смерти, вынужденной массовой миграции, межрегиональному конфликту/войне (от Дарфура до юго-запада Америки) и разрушению экосистем. Несмотря на критичность потребности в пресной воде и глубокие последствия дефицита в ней, запасы пресной воды особенно ограничены. 97,5% воды на Земле составляет соленая, и около 70% от оставшегося заключено во льдах (в основном в ледяных шапках и ледниках), оставляя лишь 0,75% всей воды на Земле, как доступную пресную воду.

Более того, эти 0,75% доступной пресной воды распределены неравномерно. Например, в густонаселенных развивающихся странах, таких как Индия и Китай, находится много регионов, которые зависят от скудных запасов воды. К тому же, запасы пресной воды часто сезонно непостоянны. Обычно, будучи ограниченной региональными водосборными площадями, вода является тяжелой, а ее транспортировка - дорогой и энергоемкой.

Между тем, потребность в пресной воде ужесточается по всему миру. Резервуары высыхают; водоносные горизонты падают, реки умирают, а ледники и ледяные шапки сокращаются. Рост населения увеличивает потребность, как это делают сдвиги в сельском хозяйстве и возросшая индустриализация. Изменение климата представляет угрозу еще во многих регионах. Следовательно, число людей, сталкивающихся с нехваткой воды, увеличивается.

Огромное количество энергии, как правило, требуется для производства пресной воды из морской воды (или в меньшей степени из слабоминерализованной воды), особенно в отдаленных районах. Обратный осмос (ОО) в настоящее время является ведущей технологией опреснения воды, но это энергоемкий и все еще относительно неэффективный способ из-за высокого давления, необходимого для продавливания воды через полупроницаемые мембраны и их склонности к загрязнению. На крупных предприятиях необходимая энергия/объем может быть 4 кВтч/м³ при 30% рекуперации по сравнению с теоретическим минимумом около 1 кВтч/м³, хотя меньшего масштаба системы ОО (например, на борту судов) имеют гораздо худшую эффективность по порядку величины. Другой популярный способ -многостадийная однократная равновесная перегонка (МОРП) - также энергетически и капиталоемкий процесс.

Вместо экстракции чистой воды существуют электрохимические способы, такие как электродиализ (ЭД) и емкостное опреснение (ЕО), достаточно экстрагировать соли для получения питьевой воды (<10 мМ). Настоящие крупномасштабные системы электрохимического опреснения менее эффективны, чем заводы ОО опреснения морской воды (например, 7 кВтч/м³ - это состояние дел в ЭД), но становятся более эффективными для слабоминерализованной воды (например, ЕО может достичь 0,6 кВтч/м³). В целом, существующие способы для удаления соли из воды, некоторые из которых существовали на протяжении веков, как правило, являются дорогими или сложными, или и теми, и другими.

Краткое описание

Способы и устройства для опреснения воды с применением экстракции селективным растворителем описаны в настоящем документе. Различные варианты осуществления устройства и способы могут включать некоторые или все элементы, признаки и этапы, описанные ниже.

Определенные растворители, такие как пищевые масла (например, соевое масло) и некоторые жирные кислоты обладают необычным свойством селективно растворять воду и не растворять водорастворимые соли, такие как хлорид натрия или примеси, и в то же время быть нерастворимыми или практически нерастворимыми в воде (например, вода растворяется в избытке фазы селективного растворителя, но селективный растворитель не растворяется в избытке водной фазы более, чем в ничтожных количествах). Это явление селективной растворимости применяют в новом способе температурно-контролируемого опреснения солевого раствора в настоящем документе.

В качестве примера этого способа солевой раствор (например, морскую воду) приводят в контакт с селективным растворителем. Селективный растворитель может содержать карбоновую кислоту (например, соединение, которое содержит карбоксильную группу R-COOH), такую как декановая кислота СН3(СН2)8СООН. Солевой раствор и растворитель нагревают до или после контакта для повышения селективного растворения воды в растворителе и, тем самым, получают раздельные фазы: первую фазу, которая содержит растворитель и воду из солевого раствора, и вторую фазу, которая содержит высококонцентрированную оставшуюся часть солевого раствора. Первую фазу отделяют от второй и экстрагируют. Альтернативно, вторая фаза может быть экстрагирована из первой. После экстрагирования первую фазу охлаждают для осаждения воды из растворителя и осажденную воду после этого удаляют из растворителя. Экстрагированная вода может представлять собой практически чистую воду (например, пригодную для промышленного или сельскохозяйственного применения или даже для удовлетворения требований стандартов чистоты питьевой воды, например 99,95% чистоты).

В способах этого раскрытия могут применять низкокачественное тепло, которое может исходить от наземных источников тепла, от океана, от солнца или как отработанное тепло от других процессов. Эти способы опреснения воды также могут быть простыми в использовании и могут предложить значительные энергетические и экономические сбережения по сравнению с современными способами опреснения.

Краткое описание графических материалов

Фиг.1 - схематическое изображение процесса опреснения экстракцией селективным растворителем в лабораторном масштабе.

Фиг.2 - изображение начальной стадии процесса, в которой соленую воду смешивают с селективным растворителем.

Фиг.3 - изображение, изображающее применение мешалки, чтобы размешать смесь соленой воды и растворителя для создания эмульсии.

Фиг.4 - изображение, изображающее погружение эмульсии в ванну с горячей водой для повышения температуры эмульсии.

Фиг.5 - изображение, изображающее разделение нагретой эмульсии на верхний слой растворителя с растворенной водой и нижний слой высококонцентрированной соленой воды.

Фиг.6 - изображение, изображающее декантацию верхнего слоя растворителя и растворенной воды в трубе.

Фиг.7 - изображение, изображающее охлаждение декантированного растворителя и растворенной воды для осаждения мелких капель воды из растворителя.

Фиг.8 - изображение, изображающее применение диэлектрофореза для выделения капелек воды из растворителя с отдельным сбором воды в нижней части трубы.

Фиг.9 - изображение, изображающее рекуперацию практически чистой воды из нижней части трубы.

Фиг.10 - изображение, изображающее применение мешалки для перемешивания смеси соленой воды и растворителя декановой кислоты для создания подогретой эмульсии.

Фиг.11 - изображение, изображающее разделение подогретой эмульсии на верхний слой декановой кислоты с растворенной водой и нижний слой высококонцентрированной соленой воды.

Фиг.12 - изображение, изображающее декантацию верхнего слоя растворителя и растворенной воды в трубе, подогреваемой в ванне с горячей водой.

Фиг.13 - изображение, изображающее применение диэлектрофореза в подогреваемой трубе для выделения капелек воды из растворителя с отдельным сбором воды в нижней части трубы.

Фиг.14 - диаграмма зависимости выхода пресной воды из растворителя декановой кислоты, как функция температуры.

Фиг.15 - диаграмма зависимости потребления энергии для процесса опреснения с применением декановой кислоты в качестве растворителя, как функция температуры.

В сопровождающих графических материалах ссылочные позиции указывают на одни и те же или аналогичные части в различных видах. Графические материалы не обязательно масштабировать, особое внимание уделяется иллюстрирующим конкретным принципам, обсуждаемым ниже.

Подробное описание

Предыдущие и другие признаки и преимущества различных аспектов изобретения (изобретений) будут видны из последующего, более конкретного описания различных концепций и конкретных вариантов осуществления в более широких рамках изобретения (изобретений). Различные аспекты объекта изобретения, представленные выше и более подробно рассмотренные ниже, могут быть реализованы любым из многочисленных способов, так как объект изобретения не ограничен каким-либо конкретным способом реализации. Примеры конкретных реализаций и применений предоставлены в первую очередь для наглядности.

Если иное не определено, термины (в том числе технические и научные термины), используемые в настоящем документе, имеют то же значение, в котором их обычно понимает специалист в данной области техники, к которой принадлежит изобретение. Далее станет понятно, что термины, как те, которые определены в широко используемых словарях, должны быть интерпретированы как имеющие значение, которое соответствует их значению в контексте релевантного уровня техники, и не должны интерпретироваться в идеализированном или чрезмерно формальном смысле, если это прямо не определено в настоящем документе. Например, если конкретная композиция указана, практическая и несовершенная действительность может быть приемлемой, например, потенциальное наличие, по меньшей мере, следов примесей (например, менее чем 0,1% по массе или объему) могут понимать как в рамках описания.

Несмотря на то, что термины первый, второй, третий и т.д. могут быть применены в настоящем документе, чтобы описать различные элементы, эти элементы не должны быть ограничены этими терминами. Эти термины применяют всего лишь для того, чтобы отличить один элемент от другого. Таким образом, первый элемент, описанный ниже, можно назвать вторым элементом, не отклоняясь от сути иллюстративных вариантов осуществления.

Термины пространственного отношения, такие как «выше», «верхний», «под», «ниже», «нижний» и им подобные, могут применять в настоящем документе для удобства описания, чтобы описать отношение одного элемента к другому элементу, как изображено на фигурах. Следует иметь в виду, что термины пространственного отношения предназначены для охвата различных направлений устройства при применении или приведения в действие в дополнение к направлению, изображенному на фигурах. Например, если устройство на фигурах перевернули, элементы, описываемые как «ниже» или «под» другими элементами или деталями, направлены «выше» других элементов или деталей. Таким образом, приводимый в качестве примера термин «выше» может подразумевать направление как сверху, так и снизу. Устройство может быть направлено иначе (например, повернуто на 90 градусов или в других направлениях) и идентификаторы пространственного отношения, которые применяют в настоящем документе, интерпретируют соответствующим образом.

Далее в этом описании, когда элемент упоминают как «на», «подключен к» или «связан с» другим элементом, он может быть непосредственно на, подключен к или связан с другим элементом или могут присутствовать промежуточные элементы, если не указано иное.

Терминология, которую применяют в настоящем документе, служит для описания конкретных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения иллюстративных вариантов осуществления. Как применяют в настоящем документе, единственное число предназначено для того, чтобы включить также и множественное число, если из контекста ясно не следует обратное. Кроме того, термины «содержит», «включающий в себя», «содержащий» и «состоящий из» определяют наличие указанных элементов или этапов, но не исключают наличия или дополнения одного или более других элементов или этапов.

Загрузка сырья в масштабах лаборатории служит иллюстрацией способа опреснения в целом, и ее схематически изображает фиг.1 с различными стадиями, которые изображают более подробно фиг.2-9. Этот процесс могут также проводить в более крупных, промышленных масштабах с применением более крупных, автоматизированных устройств. Более того, процесс могут вести в непрерывном, поэтапном режиме, в котором солевой раствор непрерывно вводят, а практически чистую воду непрерывно выводят.

Способ на фиг.1 начинают на стадии А, где добавляют солевой раствор 12 и тепло Q к селективному растворителю 14 в контейнере 16. Селективный растворитель 14 и солевой раствор 12 смешивают 11 для получения эмульсии 22, как показано на стадии В. С подводом большего количества тепла Q вода из солевого раствора далее растворяется 13 в селективном растворителе на стадии С, а сконцентрированная оставшаяся часть 30 солевого раствора оседает 15 в нижней части контейнера 16 на стадии D.

Затем контейнер 16 удаляют от источника тепла, а раствор воды в селективном растворителе сливают 17 из контейнера во вспомогательный сосуд на стадии Е и дают остыть для осаждения 19 воды из раствора, как изображено на стадии F. Осажденная вода оседает 21 в нижней части сосуда на стадии G, затем ее рекуперируют 23 как практически чистую воду из нижней части сосуда на стадии Н. Как показано, селективный растворитель могут затем применить повторно 25, так как весь процесс повторяется с дополнительным солевым раствором.

При пересмотре этапов этого способа с самого начала на более конкретном примере, начиная с фиг.2 (стадия А на фиг.1),: солевой раствор 12 добавляют в контейнер (например, в лабораторный лабораторный стакан) 16, который заполняют селективным растворителем 14 при температуре около комнатной (например, 25-35°С). Солевой раствор 12 могут встретить в природе, например, в виде соленой воды, взятой из моря. Селективный растворитель 14 может быть, например, пищевым маслом, например соевым маслом, пальмовым маслом, рапсовым маслом, кокосовым маслом или льняным маслом, которое содержит жирные кислоты. Альтернативно, селективный растворитель может включать в себя, по существу, одну или несколько выбранных жирных кислот. Подходящие жирные кислоты могут включать в себя углеродные цепочки длиной, например, от 6 до 13 атомов углерода, такие как декановая кислота, которая имеет длину углеродной цепи из 10 атомов. Жирная кислота также может быть твердой при комнатной температуре (например, при температуре около 30°С и/или ниже). Декановую кислоту считают практически нерастворимой в воде (например, растворимость в воде составляет всего около 40-50 частей на один миллион); также декановая кислота относительно безвредна для человека, так как она естественным образом содержится в молоке. В способах отделения воды от солевого раствора гидрофильная гидроксогруппа жирной кислоты может образовывать связи с водой из солевого раствора.

Контейнер 16 с комбинированным солевым раствором 12 и селективным растворителем 14 смешивают для образования эмульсии. Как изображено на фиг.3 (стадия В на фиг.1), в масштабах лабораторной установки смешивание могут осуществить на магнитной мешалке 20 с магнитным якорем 18, который помещают в контейнер 16. Магнитная мешалка 20 магнитом перемещает магнитный якорь 18 в контейнере 16 для энергичного перемешивания растворителя 14 и солевого раствора 12 для получения эмульсии 22 двух жидкостей. Перемешивание проводят до той степени, когда эмульсия 22 становится мутной на вид (например, в этом варианте осуществления в течение около 30 секунд).

Эмульсию 22 в контейнере 16 подвергают воздействию источника тепла 24 (например, в виде ванны с горячей водой), как изображено на фиг.4 (стадия С на фиг.1), и предварительно подогревают до температуры, например, около 75°С или в других вариантах осуществления только до температуры несколько выше 40°С; при этом с повышением температуры повышается столбик ртути в изображенном ртутном термометре 26. Альтернативно, растворитель 14 и/или солевой раствор 12 нагревают перед контактом или перемешиванием. Тепло могут получить, например, от тепловых потерь другого процесса или от наземных источников тепла, от океана или от простого нагрева солнечными лучами. Эмульсию 22 оставляют на подогреве от источника тепла для поддержания температуры предварительного нагрева (например, в течение дня), чтобы растворить воду из солевого раствора в капли эмульсии 22 в селективном растворителе.

Раствор 28 растворителя с растворенной водой поднимается к верхней части контейнера 16 и становится прозрачным на вид, в то время как концентрированная оставшаяся часть 30 солевого раствора 30 выделяется в нижней части контейнера 16, как изображено на фиг.5 (стадия D на фиг.1).

Затем, контейнер 16 удаляют от источника тепла 24, а раствор 28, включающий в себя растворитель и растворенную воду, декантируют из контейнера 16 во вспомогательные сосуды 32 (например, в виде конической трубки), как изображено на фиг.6 (стадия Е на фиг.1), и оставляют для охлаждения (например, в атмосферном воздухе) до комнатной температуры, как изображено на фиг.7 (стадия F на фиг.1). Как только раствор 28 охладится, раствор 28 становится мутным с осаждением мелких капель воды, образуя эмульсию 34.

Факультативно, для ускорения отделения осажденной воды и отделения воды от растворителя эмульсия 34 осажденной воды и растворитель, находясь в трубе 32 в позиции 33, могут подвергнуться диэлектрофорезу, как показано на фиг.8 (этап G на фиг.1). Как видно, блок питания 40 соединяют с помощью монтажных проводов 38 с парой электродов 35 и 36, расположенных в нижней и верхней частях сосуда 32. Источник питания 40 производит разность потенциалов между электродами 35 и 36, где неравномерность формы электродов (например, плоская пластина на одном конце и иглы на другом конце) дает неоднородное электрическое поле, которое действует на капли воды, чтобы отделить их от растворителя. Следовательно, практически чистую воду 42, которая имеет большую плотность, чем растворитель, собирают в нижней части сосуда 32 и удаляют через отверстие в нижней части сосуда и собирают в водный резервуар 44 (в этом варианте осуществления, в форме лабораторного стакана), как показано на фиг.9 (стадия Н на фиг.1).

Практически чистая вода 42 может иметь в массовом соотношении содержание соли, например, менее 1,5%, менее 0,14% или менее 0,05%. Факультативно, дополнительное опреснение могут применять после того, как вышеописанные способы отделения воды выводят чистоту воды на более высокую степень. Например, вторую стадию опреснения могут проводить в виде обратного осмоса или однократной равновесной перегонки.

В больших системах рекуперацию тепла могут применять для улучшения эффективности системы. Например, тепло, выделяющееся при охлаждении для выделения чистой воды, могут применять для нагрева эмульсии соль-вода в масле.

Одно применение для этих устройств и способов используют в получении нефти или природного газа, где селективный растворитель может быть использован для отделения солей и других компонентов, которые не растворяются в селективном растворителе от, например, «промысловой воды» (то есть, воды, полученной наряду с нефтью и газом) или «воды от гидроразрыва» (то есть, воды от гидравлического разрыва пласта), которую получают, в частности, при добыче нефти из нефтеносных песков или при извлечении газа из сланцев. Вода от гидроразрыва может иметь концентрацию соли в три раза большую, чем типичная морская вода и может включать, например, бензол и тяжелые металлы. Как правило, промысловая вода или вода от гидроразрыва транспортируются в удаленное для переработки и/или сдерживания в наземных бассейнах.

Как обратный осмос, так и многостадийная однократная равновесная перегонка показывают низкую производительность в переработке промысловой воды или воды от гидроразрыва, где значительно выше соленость промысловой воды или воды от гидроразрыва увеличивает потребление энергии и приводит к увеличению загрязнения мембран. Вместо смешивания промысловой воды с селективным растворителем большая часть воды может быть экстрагирована в практически чистом виде при использовании сравнительно небольшой энергии и тепла и по разумной цене, оставляя намного более концентрированный и меньший объем отходов и позволяя повторное использование экстрагированной воды в процессе экстрагирования нефти, тем самым предлагая значительные экологические преимущества с точки зрения сдерживания отходов, снижения потребности в воде, меньшего загрязнения окружающей среды и повышения эффективности.

Иллюстративный пример 1

Материалы, способы и наблюдения

В первом эксперименте соевое масло применяют в качестве селективного растворителя. Соевое масло имеет предел насыщения водой 0,3% по объему при 25°С, и этот предел насыщения, как ожидается, почти удваивается при 60°С. Соевое масло является недорогим и легко доступным.

Водный раствор хлорида натрия готовят для имитации морской воды. Содержание соли в этом растворе измеряли с помощью солемера Horiba и получили 3,367%±0,115%.

Около 6 мл этого раствора соли добавили к около 300 мл соевого масла и энергично перемешивали в контейнере на мешалке для получения эмульсии солевого раствора в масле. Смесь перемешивали в течение около 30 секунд, пока содержимое контейнера не стало мутным на вид.

Контейнер с эмульсией затем поместили в ванну с горячей водой, предварительно нагретую до 75°С. Эмульсию оставили в ванне с горячей водой на 24 часов (этот инкубационный период может быть легко сокращен или увеличен для оптимизации скорости обработки или выхода), чтобы растворить воду из капель эмульсии в масле. Селективное растворение воды в масле, как ожидают, выдает оставшиеся капли с высокой концентрацией соли, и эти капли, как ожидают, отделяются под действием силы тяжести в нижней части контейнера.

После 24 часов инкубации контейнер с эмульсией вынули из ванны с горячей водой. Как ожидалось, значительное количество раствора соли выделилось в нижней части контейнера, а масло оказалось вверху прозрачным на вид. Это изменение от мутного к прозрачному указывает, что капельки эмульсии или растворены, или выделились в нижней части контейнера.

Масло выше выделившегося солевого раствора декантировали в шесть различных 50 мл конических трубок и оставили охлаждаться на воздухе при комнатной температуре. Как ожидалось, после нескольких часов охлаждения масло стало снова мутным, показывая осаждение мелких капель воды.

Чтобы ускорить процесс выделения этой осажденной воды и ее выделение из масла, эмульсии были подвергнуты диэлектрофорезу. В процессе диэлектрофореза неоднородное электрическое поле использовали для выделения частиц (в данном случае, капель воды) из вмещающей жидкости (в данном случае масла). В частности, смесь подвергали воздействию электрического поля около 2 кВ/см в течение 5 минут. Наблюдается значительное выделение воды из масла. Эту выделенную и, по всей видимости, опресненную воду удалили через отверстие в нижней части конической трубы. Рекуперировали около 1,5 мл воды.

Рекуперированную воду проверили с помощью солемера Horiba, и окончательное содержание соли оказалось 0,5833%±0,0681%.

Обсуждение

Как ожидалось, содержание соли в исходном растворе соли значительно уменьшилось после применения продемонстрированного процесса.

Хотя конечная концентрация соли была значительно меньше, чем исходная концентрация, это не соответствует стандартам питьевой воды 0,05%. Остаток соли в рекуперированной воде связан с возможностью того, что не вся нерастворенная вода, содержащая соли, была отделена перед декантацией и в конечном итоге смешалась с чистой водой. Содержание соли может быть уменьшено за счет подвергания смеси диэлектрофорезу перед охлаждением для повышения выделения микрокапель эмульгированной очень соленой воды и, следовательно, для дальнейшего снижения конечной концентрации соли в рекуперированной воде. Альтернативно, даже с таким содержанием соли этот процесс может быть использован в качестве первой стадии (предварительной обработки) опреснения в сочетании, например, с применением технологии выделения воды на основе мембран в последующей второй стадии. В этом контексте этот процесс первой стадии опреснения уменьшает затраты энергии и издержки, необходимые для получения воды высокой чистоты в процессе второй стадии.

Другая область для улучшения - небольшой объем чистой воды, который был рекуперирован; рекуперированная чистая вода составляла только около 0,5% от объема применяемого масла. Эта ограниченная рекуперация может сделать процесс энергетически неэффективным, а также неэффективным по объему. Для решения этой проблемы могут применять другие селективные растворители, такие как декановая кислота, способная растворять большие количества воды.

Несмотря на эти области, которые могут быть предметом улучшения, результаты этого эксперимента рассматривают как чрезвычайно перспективные и считают, что этот способ с предполагаемыми изменениями может давать чистую воду, сохраняя энергию и эффективность по объему.

Иллюстративный пример 2

В попытке открыть более эффективный способ был проведен второй эксперимент, в котором описанные выше эксперименты повторили с применением декановой кислоты в качестве растворителя. Декановая кислота растворяет около 3,4% воды (т.е. раствор содержит около 3,4% растворенной воды) при 33°С и около 5,1% воды при 62°С. Чистая декановая кислота является твердым веществом ниже 30°С.

Декановую кислоту изначально нагревают незначительно (примерно до 30°С), чтобы расплавить ее прежде, чем добавить солевой раствор, а мешалку 20 нагревают, чтобы нагреть смесь (как показано, с применением термометра 26, отражающим повышение температуры) при образования эмульсии 22, как изображено на фиг.10. После перемешивания эмульсию оставляют на нагревательной/мешалке 20 для выделения растворителя и раствора 28 растворенной воды из высококонцентрированной оставшейся части солевого раствора 30, как изображено на фиг.11.

Затем фазу, содержащую декановую кислоту и раствор 28 растворенной воды перенесли в конические трубки 32, помещенные в ванну 48 с водой, как показано на фиг.12, где содержимому позволили охлаждаться и выдерживали в течение нескольких часов перед окончательным выделением практически чистой воды. Далее, как показано на фиг.13, нагрев осуществляют посредством резистивного нагревательного элемента 46 в течение диэлектрофореза для сохранения декановой кислоты выше 30°С, чтобы предотвратить затвердевание. Наконец, практически чистая вода 42, которая имеет плотность больше, чем декановая кислота, собирается в нижней части сосуда 32 и ее удаляют через отверстие в нижней части сосуда 32, и собирают в водном резервуаре 44, как изображено на фиг.9. Этот второй эксперимент включает пробные этапы, на которых эмульсию нагревают до температур 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 и 80°С. Начиная с исходного содержания соли 3,5% в соотношении масса к массе (масс/масс), опресненная вода содержала от 0,06% до 0,11% соли с выходом от 0,4% масс/масс, до 2% масс/масс, опресненной воды из эмульсии (где выход - это масса рекуперированной воды, деленная на единицу массы применяемого растворителя), в зависимости от верхней границы рабочей температуры. Таким образом, не только этот растворитель значительно более эффективен (чем соевое масло, используемое в первом эксперименте), но и удаление солей является также намного более эффективным с декановой кислотой. Соленость рекуперированной воды находится в диапазоне стандартов воды для сельского хозяйства и питьевой воды. На фиг.14 подытожены результаты, где построены выходы (кружочки) 49 и соленость рекуперированной воды (треугольники) 50 для различных экспериментов. Также приведены экспериментальные выходы (квадраты) 52, когда чистую воду растворяли в декановой кислоте. Пунктирные линии 54 отражают рассчитанный выход из данных по растворимости из С.Hoerr, et al., "The Effect of Water on Solidification Points of Fatty Acids," Journal of the American Oil Chemists' Society, Vol.19, 126-128 (1942). Наконец, показаны пределы солености ЕРА штрихпунктирной линией 56 в нижней части диаграммы с солености по ВОЗ, показанной в виде второй штрихпунктирной линии 58 непосредственно над ним.

Кроме того, еще одно преимущество применения декановой кислоты в качестве растворителя в том, что декановая кислота является твердым веществом ниже 30°С, и, следовательно, если растворитель остается в рекуперированной воде в качестве примеси, он может быть легко удален путем охлаждения смеси ниже 30°С и выделением воды из твердых примесей.

Потребление энергии рассчитано на способ промышленного опреснения воды с применением декановой кислоты в качестве селективного растворителя и подытожено на фиг.15, где потребление энергии от результатов эксперимента (кружочки) 60 при температуре предварительного подогрева 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 и 80°С в сравнении с указанными в литературе значениями потребления энергии обратным осмосом (пустые треугольники) 62 и многостадийной однократной равновесной перегонкой (ромбики) 64. Эти диаграммы потребления энергии представляют максимальное количество эквивалента электрической работы, которую применяют для удаления соли из морской воды. Кроме того, изображено фактическое потребление тепловой энергии источника при обратном осмосе (заполненные треугольники) 66 при условии, что электричество происходит от электростанции при высоких температурах. Чтобы экстраполировать результаты экспериментов к значениям для непрерывного промышленного процесса, эффективность теплообменника предполагалась 80%. Энергия для преобразования работы для предлагаемого процесса выполнена при эффективности Карно, которая является теоретическим максимумом достижимым с помощью теплового двигателя. На самом деле, нет теплового двигателя, эффективного при низких рабочих температурах, которые здесь применяются, и фактические эквиваленты электрической работы будут намного ниже, чем рассчитанные. Пунктирная линия 68 также основана на потреблении энергии, рассчитанной по данным растворимости из С.Hoerr, et al., "The Effect of Water on Solidification Points of Fatty Acids," Journal of the American Oil Chemists' Society, Vol.19, 126-128 (1942).

В описываемых вариантах осуществления изобретения, специфическая терминология используется для ясности. Для целей описания особые термины предназначены, по меньшей мере, для того, чтобы охватить технические и функциональные эквиваленты, которые используют таким же образом для достижения подобного результата. Кроме того, в некоторых случаях, когда конкретный вариант осуществления изобретения содержит множество элементов системы или этапов способа, эти элементы или этапы могут быть заменены одним элементом или этапом; подобным образом один элемент или этап может быть заменен множеством элементов или этапов, которые служат той же цели. Кроме того, если параметры различных свойств указанны в настоящем документе для вариантов осуществления изобретения, эти параметры могут быть скорректированы вверх или вниз, как 1/100, 1/50, 1/20, 1/10, 1/5, 1/3, 1/2, 3/4 и т.д. (или вверх на коэффициент 2, 5, 10 и т.д.), или округлением их приближения, если не указано иное. Более того, так как это изобретение было показано и описано со ссылками на его конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области станет понятно, что различные замены и изменения в форме и деталях могут быть выполнены, не отходя от объема изобретения. Кроме того, другие аспекты, функции и преимущества также находятся в рамках изобретения, и все варианты осуществления изобретения не обязательно должны достичь всех преимуществ и обладать всеми характеристиками, описанными выше. Кроме того, этапы, элементы и функции, рассмотренные в настоящем документе, в связи с одним из вариантов осуществления могут быть также применены в сочетании с другими вариантами осуществления. Содержание ссылок, включая ссылки на тексты, журнальные статьи, патенты, заявки на патенты и т.д., приводимые в тексте настоящего документа, включены в качестве ссылок во всей их полноте; и соответствующие компоненты, этапы и характеристики из этих ссылок факультативно могут быть или не быть включенными в варианты осуществления изобретения. Кроме того, компоненты и этапы, определенные в разделе «Предпосылки», являются неотъемлемой частью этого раскрытия информации и могут быть применены в сочетании или заменены компонентами и этапами, описанными в раскрытии в пределах объема изобретения. В формуле для способа, где стадии приведены в определенном порядке, с или без последовательного указания цифр, добавленных для удобства пользования, стадии не должны интерпретироваться как временно ограниченные порядком, в котором они приведены, если иное не указано или не вытекает из терминов и фраз.

Изобретения относятся к производству опресненной воды и могут быть использованы для получения питьевой воды из морских и соленых вод. Выделение воды из солевого раствора проводят с использованием селективного растворителя, содержащего карбоновую кислоту, имеющую углеродную цепь длиной от 6 до 13 атомов углерода. Для осуществления способа готовят эмульсию солевого раствора в селективном растворителе, нагревают селективный растворитель до или после контакта с солевым раствором для получения первой фазы, включающей селективный растворитель и воду из солевого раствора, растворенную в селективном растворителе, и второй фазы, включающей высококонцентрированную оставшуюся часть солевого раствора. Затем отделяют первую фазу от второй фазы, извлекают первую фазу, включающую селективный растворитель и растворенную воду, из высококонцентрированной оставшейся части солевого раствора или извлекают высококонцентрированную оставшуюся часть солевого раствора из первой фазы. Охлаждают первую фазу после извлечения для осаждения воды из селективного растворителя и удаляют осажденную воду из селективного растворителя. Изобретения обеспечивают получение практически чистой пресной воды. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 15 ил., 2 пр.

1. Способ выделения воды из солевого раствора с использованием селективного растворителя, причем способ включает:
обеспечение селективного растворителя и солевого раствора, включающего воду и по меньшей мере одну соль, где селективный растворитель содержит карбоновую кислоту, имеющую углеродную цепь длиной от 6 до 13 атомов углерода;
приготовление эмульсии солевого раствора в селективном растворителе;
нагревание селективного растворителя до или после контакта с солевым раствором для получения первой фазы, включающей селективный растворитель и воду из солевого раствора, растворенную в селективном растворителе, и второй фазы, включающей высококонцентрированную оставшуюся часть солевого раствора;
предоставление возможности отделения первой фазы от второй фазы;
извлечение первой фазы, включающей селективный растворитель и растворенную воду, из высококонцентрированной оставшейся части солевого раствора или извлечение высококонцентрированной оставшейся части солевого раствора из первой фазы;
охлаждение первой фазы после извлечения для осаждения воды из селективного растворителя; и
удаление осажденной воды из селективного растворителя.

2. Способ по п. 1, где селективный растворитель содержит соединение, растворяющее воду, но не растворяющее водорастворимые соли и примеси, и являющееся полностью или по существу полностью нерастворимым в воде.

3. Способ по п. 1, где карбоновая кислота содержит гидрофильную гидроксогруппу, которая связывается с водой из солевого раствора.

4. Способ по п. 1, где карбоновая кислота содержит декановую кислоту.

5. Способ по п. 1, где селективный растворитель является твердым при температурах 30°C и ниже.

6. Способ по п. 1, дополнительно включающий смешивание селективного растворителя и солевого раствора для получения эмульсии перед нагреванием селективного растворителя и солевого раствора.

7. Способ по п. 1, дополнительно включающий смешивание селективного растворителя и солевого раствора для получения эмульсии после нагревания селективного растворителя.

8. Способ по п. 1, дополнительно включающий применение диэлектрофореза для отделения осажденной воды от селективного растворителя.

9. Способ по п. 1, где селективный растворитель нагревают с использованием энергии от среднетемпературного источника тепла не выше 75°C.

10. Способ по п. 1, где селективный растворитель нагревают с использованием энергии от низкотемпературного источника тепла не выше 40°C.

11. Способ по п. 1, где селективный растворитель и солевой раствор нагревают с использованием энергии от другого процесса.

12. Способ по п. 1, где селективный растворитель и солевой раствор нагревают с использованием тепла Земли или солнечного тепла.

13. Способ по п. 1, где экстрагированная осажденная вода обладает содержанием соли в массовом соотношении менее 1,5%.

14. Способ по п. 1, где экстрагированная осажденная вода обладает содержанием соли в массовом соотношении менее 0,14%.

15. Способ по п. 1, где экстрагированная осажденная вода обладает содержанием соли в массовом соотношении менее 0,05%.

16. Способ по п. 1, где выделение воды из соляного раствора с использованием селективного растворителя является первой стадией в многостадийном процессе опреснения, причем способ дополнительно включает подвергание осажденной воды, после извлечения, второй стадии опреснения с тем, чтобы достичь более высокого уровня чистоты.

17. Способ по п. 16, где вторая стадия опреснения включает обратный осмос или однократную равновесную перегонку.

18. Способ по п. 1, дополнительно включающий повторное применение селективного растворителя для повтора способа выделения воды из солевого раствора.

19. Способ выделения воды из солевого раствора с использованием селективного растворителя, причем способ включает:
обеспечение селективного растворителя и солевого раствора, включающего воду и по меньшей мере одну соль;
приготовление эмульсии солевого раствора в селективном растворителе;
нагревание селективного растворителя до или после контакта с солевым раствором до температуры не более 80°C для получения первой фазы, включающей селективный растворитель и воду из солевого раствора, растворенную в селективном растворителе, и второй фазы, включающей высококонцентрированную оставшуюся часть солевого раствора;
предоставление возможности отделения первой фазы от второй фазы;
извлечение первой фазы, включающей селективный растворитель и растворенную воду, из высококонцентрированной оставшейся части солевого раствора или извлечение высококонцентрированной оставшейся части солевого раствора из первой фазы;
охлаждение первой фазы после извлечения для осаждения воды из селективного растворителя; и
удаление осажденной воды из селективного растворителя.