Установка опреснения морской воды Российский патент 2022 года по МПК C02F1/469 C02F103/08 

Изобретение относится к опреснению соленых морских и озерных вод, а также получению концентрированных растворов различных веществ.

Известные способы опреснения морской воды делятся на две группы:

1 - испарение с последующей конденсацией водяного пара;

2 - электрохимические.

Первая группа способов опреснения морской воды описана, например, в патенте РФ №2554720, С02F 1/04, в патенте RU 189357, С02F 1/04 «Установка опреснения морской воды и выработки электрической энергии», которая производит опреснение морской воды и выработку электрической энергии, а также удаление из морской воды части растворенных соединений и примесей и способствует уменьшению отложения солей на теплообменных поверхностях многоступенчатого испарителя.

Недостатком устройств, описанных в патенте РФ№2554720 и патенте RU 189357, С02F 1/04 «Установка опреснения морской воды и выработки электрической энергии» является большие энергетические затраты на испарение и конденсацию водяного пара.

Вторая группа установок опреснения представлена в патентах РФ 2240177, В01D 61/06 «Мембранная установка опреснения морской воды (варианты)» и 2225369, С02F 9/08 «Способ очистки природных вод».

Мембраны этой группы функционируют на основе обратного осмоса. Oсмос -проникновение (диффузия) молекул растворителя в раствор сквозь непроницаемую для растворенных веществ мембрану, отделяющую раствор от чистого растворителя или от раствора с меньшей концентрацией (см. Энциклопедический словарь, том 2, М.: ГНИ «Большая советская энциклопедия». 1956, с.569. Обратный осмос - это обратный процесс, т.е. проникновение растворителя из концентрированного раствора сквозь непроницаемую для растворенных веществ мембрану. На выходе получается пермеат, т.е. менее концентрированный раствор по сравнению с исходной водой.

Упомянутый способ очистки природных вод включает две стадии механической обработки, опреснение обратным осмосом и бактерицидную обработку, причем бактерицидную обработку проводят хлорированием перед механической обработкой воды, затем после двух стадий механической обработки проводят дехлорирование сульфитом натрия, далее воду очищают микрофильтрацией и добавляют ингибитор, опреснение обратным осмосом проводят в две стадии, после первой стадии концентрат сбрасывают, а в пермеат добавляют ингибитор и едкий натр, повышая pH до 10,4, затем проводят вторую стадию опреснения обратным осмосом, причем концентрат после второй стадии обратного осмоса подмешивают в поток на вход первой стадии опреснения, а в пермеат добавляют кислоту и пропускают его через фильтры-кондиционеры с кальциево-магниевой загрузкой. Кроме этого часть пермеата (опресненной воды) после первой стадии опреснения обратным осмосом может быть направлена на вход фильтров-кондиционеров, часть пермеата после второй стадии опреснения обратным осмосом может быть подмешана к выходному потоку из фильтров-кондиционеров.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является устройство, описанное в патенте РФ №2155718, С02F 1/467 «Установка для снижения минерализации и обеззараживания питьевой воды», принятое в качестве прототипа.

На фиг.1 представлена схема устройства-прототипа, где обозначено:

1 - камера электрохимического реактора;

2, 3 - первая и вторая диафрагмы;

5, 12 - первый и второй аноды;

6 - катод;

13 - изолятор.

Установка для снижения минерализации и обеззараживания состоит из камеры электрохимического реактора 1 длиной L=(20...30)t, где , мм, где - значение напряжения в вольтах на катоде и аноде первой 2 и второй 3 мембран, расположенных вдоль и симметрично относительно стенок камеры электролитического реактора 1, длина мембран равна длине стенок камеры реактора и расстояние между мембранами равно t; первого анода 5 длиной (3...5)t, расположенного между мембранами на расстоянии от второй мембраны 3, равном 0,5t; второго анода 12 длиной L=(20...30)t- (3...3)t, который расположен между первой мембраной 2 и стенкой камеры реактора 1, и расстояние от второго анода 12 до продольной оси камеры реактора вдоль этой оси (от первого анода 5) линейно увеличивается от 0,5t до 1,5t; катода 6, который расположен между второй мембраной 3 и стенкой корпуса реактора 1, расстояние от первого анода 5 до катода 6 равно t и расстояние от катода 6 до второго анода 2 вдоль оси реактора, от входа к выходу, линейно увеличивается от 1,5t до 3t.

Установка работает следующим образом.

Водопроводная вода через вход поступает в камеру электрохимического реактора 1 и после заполнения его водой включается источник постоянного напряжения. Электрохимическая камера функционально разделена на две зоны. В первой зоне установлено два электрода: первый анод 5 и катод 6, разделенные одной мембраной 3. Каждый микрообъем воды, протекающий в районе первого анода 5, соприкасается с поверхностью электродов и подвергается воздействию электрического поля, при этом вода в течение долей секунды насыщается короткоживущими, высокоактивными окислителями хлора и кислорода. Их концентрация в зависимости от минерализации и скорости протока воды может изменяться от 15 до 150 мг/л, при этом электролитическое окисление у анода разрушают органические и хлорорганические вещества в воде и микроорганизмы всех видов и форм уничтожаются, распадаясь на простые составляющие: нетоксичные и совершенно безопасные.

Возле первого анода 5 происходит насыщение воды кислородом и продукты распада становятся полярными, а структурная сетка водородных связей между молекулами воды разрыхляется, разупорядочивается, что облегчает ее использование клетками живых организмов и ускоряет удаление биологических шлаков. Вдоль первого анода 5, благодаря симметричному положению диафрагмы, весь поток воды делится на анолит и католит. При этом катионы за счет миграции перемещаются к катоду 6 и сразу удаляются. В катодном пространстве происходит прямое электролитическое и электрокаталитическое восстановление многозарядных катионов тяжелых металлов, что снижает токсичность воды, обусловленную наличием ионов тяжелых металлов, в тысячи раз.

Во второй функциональной зоне между вторым анодом 12 и катодом 6 установлены две мембраны 2 и 3. В пространстве между вторым анодом 12 и катодом 6 под воздействием электрического поля ионы и поляризованные продукты распада, полученные в первой зоне, приходят в упорядоченное движение. К катоду 6 двигаются ионы кальция, натрия, магния, водорода. При этом в катодном пространстве будут преобладать гидрооксил-ионы ОН-, а в анодное пространство перемещаются хлоридные и гидрооксильные анионы. И поэтому в анодном пространстве концентрируется вода со смесью соляной и серной кислот, в катодном пространстве концентрируется соленая вода, а между первой и второй диафрагмами остается очищенная и обеззараженная вода. В установке вода из катодного и анодного пространств отводится и сливается. Вода, перемещаясь вверх вдоль оси установки за счет миграционных смещений продуктов электролиза, постепенно избавляется от вредных примесей и насыщается кислородом.

Недостатками устройства-прототипа являются сложность конструкции, высокие эксплуатационные потери электроэнергии и низкая надежность работы.

Задача предлагаемого технического решения - снижение эксплуатационных расходов на получение опресненной воды и увеличение срока эксплуатации установки.

Для решения поставленной задачи в установку опреснения морской воды, содержащую камеру с установленными вдоль и симметрично относительно стенок камеры двумя параллельно расположенными диафрагмами, разделяющими камеру на две зоны, а также два электрода разной полярности, согласно изобретению, введены обратноосмотическая мембрана, помещенная внутрь ограниченной двумя диафрагмами второй зоны камеры, которая подсоединена к насосу переменной производительности для откачки пермеата, при этом первая зона камеры разделена на две, объединенные патрубком половины - правую и левую относительно направления потока морской воды, а также блок управления, два выхода положительного и отрицательного полюсов которого подключены к первому и второму электродам, расположенным с внешней стороны камеры к двум половинам первой зоны соответственно; выход блока управления подключен к насосу переменной производительности для откачки пермеата, а первый и второй входы блока управления соединены соответственно с датчиком электропроводности пермеата и измерителем рН концентрата; выход первой зоны является выходом концентрата.

Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:

1 - камера;

2, 3 - первая и вторая диафрагмы;

4 - патрубок;

5, 6 - первый и второй электроды;

7 - обратноосмотическая мембрана;

8 - блок управления;

9 - насос для откачки пермеата;

10 - измеритель рН концентрата;

11 - датчик электропроводности пермеата;

«МВ» - морская вода;

«К» - концентрат;

«П» - пермеат.

Заявляемая установка опреснения морской воды содержит камеру 1, функционально разделенную на две зоны. Причем две половины первой зоны (правая и левая относительно направления потока морской воды по аналогии с определением берегов реки) объединены патрубком 4. Вторая зона ограничена первой 2 и второй 3 диафрагмами и отделена ими от первой зоны.

К правой и левой половинам первой зоны с внешней стороны подключены два электрода 5 и 6, соединенные с соответствующими положительным («+») и отрицательным («-») полюсами источника постоянного тока блока управления 8.

Кроме того, внутри второй зоны камеры 1, на выходе, помещена обратноосмотическая мембрана 7. При этом выход второй зоны камеры 1 снабжен насосом переменной производительности для откачки пермеата 9, соединенный с выходом блока управления 8, входы которого соединены соответственно с выходами датчика электропроводности пермеата 11 и измерителя рН концентрата 10.

Предлагаемая установка опреснения морской воды работает следующим образом.

Включается в работу насос для откачки пермеата 9. В результате во внутрь второй зоны камеры 1 поступает проточная морская вода «МВ». На электроды 5 и 6 подается постоянное напряжение, создающее высокую напряженность внутри камеры 1. При работе насоса для откачки пермеата 9 и наличии высокого напряжения на электродах 5 и 6 происходит движение ионов, растворенных в «МВ». Катионы движутся в направлении отрицательного электрода, а анионы - в сторону положительного электрода. В результате они проникают через диафрагмы 2 и 3. Правая и левая половины первой зоны камеры 1 объединены патрубком 4, так что на выходе первой зоны получается концентрат «К» с нейтральной кислотностью (рН=7). Контроль за кислотностью концентрата осуществляется с помощью измерителя рН концентрата 10. Длина диафрагм выбирается такой, чтобы за время продвижения потока МВ внутри второй зоны камеры все ионы, обусловившие соленость морской воды, пересекли диафрагмы 2 и 3. На выходе второй зоны камеры 1 получается раствор, очищенный от ионов, который через обратноосмотическую мембрану 7 откачивается насосом 9. Считая, что морская вода практически очистилась от ионов растворенных солей, осмотическое давление на обратноосмотической мембране 7 будет относительно небольшим, что существенно снижает нагрузку на насос для откачки пермеата 9. Управление работой установки опреснения морской воды осуществляется блоком управления 8, на входы которого поступают данные от измерителя рН концентрата 10 и датчика электропроводности пермеата 11, соответственно. На основе полученных данных определяется режим работы насоса для откачки пермеата 9 и значение и полярность постоянного напряжения на электродах 5 и 6. Результатом работы установки опреснения морской воды является получение пермеата - очищенной воды от растворенных солей и концентрата - раствора, более концентрированного для утилизации.

Считая заранее заданными ширину и толщину диафрагм, определим длину диафрагмы 2 (или 3) при условии, что обеспечивается получение опресненной морской воды с выходом 360 л/ч пермеата, что составляет 0,1 л/с. Площадь поперечного сечения второй зоны камеры 1 определим как дм². Скорость движения морской воды будет 0,67 дм/с, что равно 6,7 см/с.

В книге Г. Иос. Курс теоретической физики. Часть 1. Механика и электродинамика, М.: ГУПИМП РСФСР, 1963, С. 427 указанно, что подвижность ионов Na⁺ составляет см²/В·с. Примем напряжение между металлическими электродами 12 кВ при расстоянии между ними см. Тогда напряженность электрического поля будет В/см. Используя формулу (6) на С. 426 этой книги, получим поперечную скорость ионов Na⁺:

, (1)

где - напряжённость электрического поля внутри камеры (В/см);

- подвижность иона (см²/В·с).

Подставляя в формулу (1) известные значения, найдём 0,92 (см/с). Учитывая расстояние, равное 5 см, которое необходимо пройти иону , получим время пролёта иона до встречи с диафрагмой 2=5,435 (с). Длина диафрагмы 2 должна быть (см).

Произведённые расчёты обобщим следующей формулой:

, (2)

где - выход пермеата (л/с); - ширина диафрагмы; - подвижность иона; - напряжённость электрического поля внутри камеры (В/см); - площадь поперечного сечения второй зоны камеры(cм²).

Для оценки радиуса пор капилляров диафрагм воспользуемся формулой, приведённой в Физической Энциклопедии, том 2, М: «Советская энциклопедия», 1990, с. 240:

. (3)

Приравнивая правые части формул (1) и (3), затем преобразуя полученное выражение, найдём радиус пор капилляров диафрагм (мкм):

, (4)

где - напряжённость электрического поля внутри камеры (В/см);

- подвижность иона (см²/В⋅с); - коэффициент вязкости жидкости (морской воды) (Пас⋅с); - толщина диафрагмы (см); - межфазное поверхностное натяжение (н/м); - краевой угол, образуемый поверхностью жидкости со стенками капилляра (рад).

Определим наименьшую толщину диафрагм, обеспечивающую их прочность в работе установки опреснения.

Для пор диафрагмы радиусом менее 25 мкм допустимое натяжение определяется по следующей формуле:

, (5)

где - давление жидкости на пору диафрагмы (н/м²); - модуль Юнга материала диафрагмы (н/м²).

Формула (5) взята из журнала Journal of The Franklin Institute, May 1976, p. 425, Table II.

Для полимерных материалов (типа каучука), из которых изготавливается диафрагма, допустимое натяжение не превосходит 0,4366 (н/м²). Учитывая, что , где - плотность воды (жидкости), (кг/м³), - ширина диафрагмы (м), 9,78 (м/с²) – ускорение свободного падения, толщина диафрагмы должна быть больше, чем

, (6)

где - ширина диафрагмы; - модуль Юнга материала диафрагмы;

- радиус пор капилляров диафрагмы (система единиц СИ).

Со временем работы диафрагмы 2 и 3 забиваются ионами солей, растворённых в морской воде. Поэтому периодически требуется их очистка. Эту очистку возможно производить, не останавливая насос для откачки пермеата 9, если сменить полярность напряжения на электродах 5 и 6.

Предлагаемая конструкция установки опреснения морской воды не требует больших затрат энергии, так как через электроды 5 и 6 не протекает постоянный ток, что указывает на отсутствие потерь электроэнергии. Конструкция устройства опреснения морской воды не содержит перемещающихся элементов, что говорит о её надёжности и долговечности эксплуатации. Устройство-прототип работает с остановкой для очищения морской воды, а в предлагаемой установке процесс очищения происходит непрерывно, что обеспечивает ее более высокую производительность.

Блок управления 8 может быть реализован, например, как описано в книге Ю.И. Дытнерский «Обратный осмос и ультрафильтрация», стр. 102-108, рис. II-24; обратноосмотическая мембрана 7 может быть выбрана из таблиц II.3 и II.4, стр. 59-60 той же книги.

Изобретение относится к опреснению соленых морских и озерных вод, а также получению концентрированных растворов различных веществ. Установка опреснения морской воды содержит камеру с установленными вдоль и симметрично относительно стенок камеры двумя параллельно расположенными диафрагмами для очистки от растворенных солей, разделяющими камеру на две зоны, а также два электрода разной полярности. Обратноосмотическая мембрана размещена внутри ограниченной двумя диафрагмами второй зоны камеры, которая подсоединена к насосу переменной производительности для откачки пермеата. Первая зона камеры разделена на две объединенные патрубком половины - правую и левую относительно направления потока морской воды. Два выхода положительного и отрицательного полюсов блока управления подключены к первому и второму электродам, расположенным с внешней стороны камеры к двум половинам первой зоны соответственно. Выход блока управления подключен к насосу переменной производительности для откачки пермеата, а первый и второй входы соединены соответственно с датчиком электропроводности пермеата и измерителем рН концентрата. Выход первой зоны является выходом концентрата. Обеспечивается экономичность и длительность эксплуатации устройства. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка опреснения морской воды, содержащая камеру с установленными вдоль и симметрично относительно стенок камеры двумя параллельно расположенными диафрагмами, разделяющими камеру на две зоны, а также два электрода разной полярности, отличающаяся тем, что введены обратноосмотическая мембрана, помещенная внутрь ограниченной двумя диафрагмами второй зоны камеры, которая подсоединена к насосу переменной производительности для откачки пермеата, при этом первая зона камеры разделена на две объединенные патрубком половины – правую и левую относительно направления потока морской воды, а также блок управления, два выхода положительного и отрицательного полюсов которого подключены к первому и второму электродам, расположенным с внешней стороны камеры к двум половинам первой зоны соответственно; выход блока управления подключен к насосу переменной производительности для откачки пермеата, а первый и второй входы блока управления соединены соответственно с датчиком электропроводности пермеата и измерителем рН концентрата; выход первой зоны является выходом концентрата.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что очистка диафрагм производится без остановки процесса опреснения путём смены полярности на электродах.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что длина диафрагмы (см) определяется, исходя из формулы: ,

где - выход пермеата (л/с); - ширина диафрагмы (см);

- подвижность иона (см²/В⋅с); - напряжённость электрического поля внутри камеры (В/см); - поперечное сечение второй зоны камеры (cм²).

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что радиус капилляров диафрагмы определяется по следующей формуле (мкм):

,

где - напряжённость электрического поля внутри камеры (В/см);

- подвижность иона (см²/В⋅с); - коэффициент вязкости жидкости (морской воды) (Пас·с); - толщина диафрагмы (см); - межфазное поверхностное натяжение (Н/м); - краевой угол, образуемый поверхностью жидкости со стенками капилляра (рад).

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что толщину стенки диафрагмы (см), изготовленной из полимерных материалов, определяют по формуле – система единиц СИ:

,

где - ширина диафрагмы (см); - модуль Юнга материала диафрагмы (Н/м²); - радиус пор капилляров диафрагмы (мкм).