способ снижения энергетических затрат при опреснении морской воды

Формула изобретения

1. Способ снижения энергетических затрат при опреснении морской воды путем организации процесса осмотического массопереноса через полупроницаемую мембрану, отличающийся тем, что по разные стороны полупроницаемой мембраны подают противотоком солевые растворы различной концентрации, причем в качестве источника раствора высокой концентрации используют концентрат, получающийся в результате обратноосмотического процесса опреснения соленой воды, в качестве раствора низкой концентрации - соленую исходную воду, а отработанный раствор отводят под давлением, равным половине перепада осмотических давлений.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в растворы добавляют химические реагенты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергосбережения при опреснении морской воды методом обратного осмоса. Может быть использовано в энергетике, химической, пищевой и других областях промышленности.

Известен способ получения механической или электрической энергии в осмотической установке [заявка 99105314, опубл. Бюл. 1, 2001 г.]. Поставленная цель достигается путем разделения раствора и растворителя полупроницаемой мембраной. По одну сторону мембраны подают растворитель из источника растворителя, а по другую сторону подают раствор из источника раствора и отводят отработанный раствор в устройство- преобразователь энергии осмотического массопереноса в механическую или электрическую энергию.

К недостаткам способа можно отнести ограничение по используемым средам, участвующим в процессе получения энергии. Конечно, наибольший эффект осмотического массопереноса может быть достигнут при использовании раствора и растворителя. Чем выше концентрация солей в растворе, тем большую мощность можно получить с единицы площади полупроницаемой мембраны. Для практической реализации требуется наличие отдельного источника растворителя (пресной воды) и отдельного источника раствора (морской или другой соленой воды), например, при впадении реки в море. Практическая реализация способа в энергетике потребует проведения НИР и ОКР, направленных на разработку осмотических электростанций, экономически конкурентоспособных по сравнению с традиционными электростанциями.

Получение пресной воды из соленой сопряжено с высокими затратами энергии. Как правило, в результате опреснения исходную морскую или иную соленую воду с помощью известных методов (дистилляция, обратный осмос, электродиализ, вымораживание и др.) разделяют на пресную воду и солевой концентрат. Концентрация солей в концентрате существенно выше (в 1,5-2 раза), чем концентрация солей в исходной воде. Концентрат сбрасывают обратно в море. Сброс концентрата в море вызывает экологические проблемы в местах сброса, поэтому применяют специальные устройства для смешения концентрата с морской водой.

Целью изобретения является одновременное решение двух проблем: энергосбережение при опреснении морской воды и уменьшение негативного влияния сбросных вод на окружающую среду.

Поставленная цель достигается путем организации процесса осмотического массопереноса через полупроницаемую мембрану. По разные стороны полупроницаемой мембраны подают противотоком солевые растворы различной концентрации. В качестве источника раствора высокой концентрации используют концентрат, получающийся в результате обратноосмотического процесса опреснения соленой воды. В качестве раствора низкой концентрации используют соленую исходную воду. Отработанный раствор отводят под давлением, равным половине перепада осмотических давлений в устройство-преобразователь энергии. В растворы могут быть добавлены химические реагенты.

Использование в качестве рабочих тел концентрата и исходной соленой воды позволяет вернуть в цикл опреснения части затраченной энергии, а также понизить концентрацию сбросных вод.

Применение схемы подачи рабочих тел противотоком позволяет повысить эффективность регенерации энергии.

Отвод отработанного раствора под давлением, равным половине перепада осмотических давлений, обеспечивает в процессе осмотического массопереноса получение максимальной мощности с единицы площади полупроницаемой мембраны. Добавление химических реагентов в растворы предотвратит отложение плохо растворимых солей жесткости на поверхности мембраны и позволит продлить срок ее службы.

Изобретение основано на использовании эффекта самопроизвольного проникновения растворителя в раствор через полупроницаемую мембрану, движущей силой которого является разность концентраций солей по разные стороны мембраны. Концентрат, который образуется в процессе опреснения, по сравнению с морской водой обладает более высоким химическим потенциалом (изобарно, изотермическим потенциалом Гиббса). Использование разницы химических потенциалов концентрата и исходной морской воды позволяет одновременно продвинуться на пути решения двух проблем. Вернуть часть затраченной энергии обратно в процесс опреснения и существенно понизить концентрацию сбросных вод.

Интенсивность осмотического массопереноса зависит от разницы концентрации солей и разницы давления по обе стороны мембраны, а также от условий обтекания мембраны растворами с разных сторон и свойств мембраны (толщина, селективность, проницаемость и др.).

Принцип действия предлагаемого способа можно пояснить с помощью чертежа. На чертеже полупроницаемая мембрана изображена пунктирной линией. С₁ - содержание солей в концентрате после опреснения. С₂ - содержание солей в исходной морской воде. P₁ - давление на мембрану концентрата. Р₂ - давление на мембрану исходной соленой воды. Q_c - поток растворителя (воды) через мембрану под действием разницы концентраций (ряд черных стрелок). Q_p - поток растворителя (воды) через мембрану под действием разницы давлений (ряд серых стрелок).

Растворы с концентрациями солей С₁ и С₂ (С₁>С₂) подают противотоком с разных сторон полупроницаемой мембраны. Поры мембраны пропускают молекулы воды и практически полностью задерживают ионы минеральных солей. Под действием разницы концентрации возникает Q_c - поток растворителя (воды) через мембрану. Вода течет из области низкой концентрации солей в область высокой концентрации солей. Величина Q_c пропорциональна разнице концентраций. Под действием перепада давления (P₁>P₂) в обратном направлении поток воды Q_p будет протекать через мембрану. Величина потока воды пропорциональна перепаду давления. Результирующий поток растворителя (воды) Q=Q_c-Q_p линейно зависит от перепада давления при заданном перепаде концентраций. При отсутствии перепада давления (P₁=P₂) значение потока через мембрану будет достигать максимальной величины Q^o=Q_c. Далее с ростом перепада давления поток воды через мембрану будет уменьшаться до нуля. По определению - перепад давления, при котором прекращается перетекание растворителя через полупроницаемую мембрану, равен разнице осмотических давлений с разных сторон полупроницаемой мембраны. Осмотическое давление Р⁰ является физическим параметром раствора и зависит только от состава и концентрации солей. Обозначим перепад давления на полупроницаемой мембране через Р. В точке равновесия Q=0; Р=Р⁰. Мощность, которая может быть получена при осмотическом массопереносе, равна произведению потока через мембрану и перепада давления. Математический анализ показывает, что максимального значения, N=Q⁰P⁰/4, мощность достигает при перепаде давления, равном половине разности осмотических давлений с разных сторон полупроницаемой мембраны. Весьма важно направление движения растворов с различной концентрацией относительно друг друга. По мере продвижения над поверхностью полупроницаемой мембраны содержание солей в потоке с более высокой начальной концентрацией будет падать, а содержание солей в потоке с низкой начальной концентрацией будет расти. При течении потоков в одном направлении разница осмотических давлений по разные стороны полупроницаемой мембраны будет уменьшаться. При движении в противоположном направлении (противотоком) возможна организация процесса таким образом, что перепад осмотических давлений по разные стороны полупроницаемой мембраны будет оставаться постоянным по всей длине мембраны. Отвод отработанного раствора можно производить под некоторым постоянным давлением P₁. Оптимальное значение давления отработанного раствора равно половине разницы осмотических давлений по разные стороны полупроницаемой мембраны. Для схемы течения потоков в одном направлении P₁ может быть не более половины минимальной разницы осмотических давлений по всей длине мембраны. Эффективность процесса осмотического массопереноса будет переменной по длине мембраны. Для схемы течения потоков в противоположном направлении разница осмотических давлений по длине мембраны будет оставаться постоянной и, следовательно, эффективность осмотического массопереноса будет величиной постоянной. Величина мощности с единицы поверхности мембраны в системе течения противотоком будет всегда выше по отношению к схеме течения по току.

При протекании растворителя через полупроницаемую мембрану на поверхности мембраны могут откладываться плохо растворимые соли жесткости. Для предотвращения отложения солей жесткости в растворы следует добавлять химические реагенты (кислоты, ингибиторы отложения минеральных солей и др.).

Успешной реализации предлагаемого изобретения способствует то, что часть оборудования, необходимого для организации процесса осмотического массопереноса (система подачи исходной воды, системы водоподготовки воды, система сброса концентрата, устройства по регенерации потенциальной (давление) энергии концентрата и др.), как правило, входят в состав опреснительных установок.