Способ деминерализации растворов

(51) 02 1/44 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ электроэнергии на деминерализацию растворов, за счет создания разности механических давлений,которое может быть создано при помощи, например,тепловых насосов, т.е. система в целом может работать исключительно на основе солнечной энергии,без подключения дополнительных источников. Способ деминерализации растворов,заключающимся в разделении исходного раствора на обедненный и обогащенный по низкомолекулярной компоненте, за счет потока отдельных компонентов раствора, протекающего через проницаемый для ионов обеих знаков заряда,мембранный элемент из одного объема в другой, за счет приложения разности механических давлений(диапазон от 0 до 1 атм.) к объемам заполненных солевым раствором и разделенных друг от друга мембранным элементом. Преимуществом данного способа деминерализации раствора является возможность существенной экономии затрат энергии на деминерализацию. Например, необходимая разность механических давлений может быть создана при помощи тепловых насосов, т.е. система в целом может работать исключительно на основе солнечной энергии,без подключения дополнительных источников.(72) Сулейменов Ибрагим Эсенович Мун Григорий Алексеевич(73) Некоммерческое акционерное общество Алматинский университет энергетики и связи Сулейменов Ибрагим Эсенович Мун Григорий Алексеевич(56) Мамет А.П., Ситняковский Ю.А. Применение обратного осмоса при обессоливании воды для питания парогенераторов ТЭС и АЭС // Теплоэнергетика. - 2000. - 7. - с.20-22(57) Изобретение относится к области мембранных технологий и может быть применено для опреснения солоноватых грунтовых вод, морской воды, очистке сточных вод и т.д. Технической задачей изобретения является разработка способа деминерализации(обессоливания) растворов,использующего механическое давление,и позволяющего использовать ион-проводящие элементы для разделения раствора на обогащенный и обедненный по низкомолекулярной электролитной компоненте. Технический результат,полученный от реализации изобретения,снижение затрат Изобретение относится к области мембранных технологий и может быть применено для опреснения солоноватых грунтовых вод, морской воды, очистке сточных вод и т.д. Известна совокупность химических способов деминерализации воды, в частности, способ деминерализации воды ионитами. Данная совокупность процессов основана на использовании химических процессов, в частности, процессов ионного обмена, протекающих при контакте рабочего вещества и обрабатываемого раствора.(Гребенюк В.Д., Мазо А.А. Обессоливание воды ионитами // М. Химия. - 1980. - с.228-233.,Ярославцев А.Б.,Никоненко В.В.(2009). Ионообменные мембранные материалы свойства,модификация и практическое применение. Российские нанотехнологии, 4(3), 44-63.). Недостатком данного способа деминерализации(обессоливания) растворов является необходимость использования дополнительных реагентов,связанная с их утилизацией/регенерацией. Известен Доннановский диализ, который также можно использовать в качестве способа деминерализации(обессоливания) растворов. Доннановский диализ по сути дела является непрерывным ионообменным процессом. При диализе ионы одного раствора непрерывно обмениваются на другие ионы того же знака в другом растворе,отделенном от первого ионообменной мембраной. В таком диализе электрический потенциал создается различием концентраций ионов, проходящих через мембрану.(1993). РЕГЕНЕРАЦИЯ КИСЛОТ В ПРОЦЕССЕ ДОННАНОВСКОГО ДИАЛИЗА. Журнал прикладной химии, 66, 1737.). Недостатком данного способа деминерализации(обессоливания) растворов является необходимость использования вспомогательного раствора с низкой концентрацией удаляемых ионов, что неприемлемо,например, для целей опреснений морской воды. Известен электродиализный способ деминерализации(обессоливания) растворов. Данный способ основан на использовании двух видов мембран мембран, селективно проницаемые для катионов - катионитовые (катионообменные) мембраны, и мембран, селективно проницаемые для анионов анионитовые(анионообменные) мембраны. Последовательность чередующихся катионообменных и анионообменных мембран располагается между двумя электродами. При достаточно высоком внешнем электрическом потенциале электрический ток переносит катионы из исходного раствора в поток концентрата через катионообменную мембрану, находящуюся со стороны катода. Анионы движутся в противоположном направлении и переносятся в поток концентрата через анионообменную мембрану. При этом, катионы в потоке концентрата задерживаются анионообменной мембраной со стороны катода, а анионы - катионообменной мембраной с противоположной стороны. В результате, исходный раствор очищается от 2 растворенного в нем электролита посредством двух потоков концентрата,направленных в противоположные стороны, причем перешедшие через мембраны ионы остаются в концентрате. Основным недостатком данного способа деминерализации(обессоливания) растворов является необходимость затрат электроэнергии на опреснение, причем количество затрачиваемой энергии возрастает по мере увеличения глубины очистки. Наиболее близким аналогом по числу существенных признаков (прототипом) является способ деминерализации(обессоливания) растворов, использующий мембранные технологии,основанный на явлении обратного осмоса. При реализации данного способа высокое давление,создаваемое в одной из частей системы, вынуждает растворитель (например, воду) проходить через полупроницаемую мембрану из области с более концентрированным раствором в область с менее концентрированным раствором, то есть в обратном для осмоса направлении. При этом используется мембрана, которая пропускает растворитель, но не пропускает,по крайней мере,некоторые растворнные в нм вещества(Мамет А.П.,Ситняковский Ю.А. Применение обратного осмоса при обессоливании воды для питания парогенераторов ТЭС и АЭС //Теплоэнергетика. 2000. - .7. - с.20-22.). Недостатком прототипа является необходимость использования высоких давлений (около 2 17 атм для фильтрации и опреснения питьевой и солоноватой воды, и 2470 атм для морской воды),что обусловлено, в том числе, значительным гидродинамическим сопротивлением плотных мембран. Это приводит, как к значительным затратам энергии, так и к необходимости использования гидротехнического оборудования повышенной прочности. Технической задачей изобретения является разработка способа деминерализации(обессоливания) растворов,использующего механическое давление,и позволяющего использовать ион-проводящие элементы для разделения раствора на обогащенный и обедненный по низкомолекулярной электролитной компоненте. Технический результат,полученный от реализации изобретения,снижение затрат электроэнергии на деминерализацию растворов, за счет создания разности механических давлений,которое может быть создано при помощи, например,тепловых насосов, т.е. система в целом может работать исключительно на основе солнечной энергии,без подключения дополнительных источников. Необходимый технический результат достигается тем, что, в способе деминерализации растворов, заключающимся в разделении исходного раствора на обедненный и обогащенный по низкомолекулярной компоненте за счет потока отдельных компонентов раствора, протекающего через проницаемый для них мембранный элемент из одного объема в другой, и возникающего за счет приложения разности механических давлений к объемам, отделенным друг от друга мембранным элементом,согласно изобретению,объемы,заполнены солевым раствором и разделены мембранным элементом проницаемым для ионов обеих знаков заряда из одного объема в другой, за счет приложения разности механических давлений в диапазоне от 0 до 1 атм. Изобретение основано на создании разности давлений между двумя объемами, заполненными растворами низкомолекулярной соли, разделенными мембранным элементом, проницаемым для ионов обоих знаков заряда, но ограничено проницаемым для растворителя (воды). В качестве такого элемента может использоваться,например,составная мембрана, одна часть которой выполнена из катионообменной пленки, а вторая анионообменной. Приложение внешнего механического давления приводит к транспорту ионов через мембранный элемент, что обусловлено стремлением системы к равновесию (установлению одинаковых давлений,включая осмотическую компоненту, в обеих частых системы). Результатом является обеднение одного из объемов системы по низкомолекулярной компоненте и обогащение по этой компоненте второго из объемов. Устройство, реализующее способ, представляет собой двухкамерную гидродинамическую систему,объемы которой разделены мембранным элементом,проницаемым для ионов обоих знаков заряда и ограничено проницаемым для растворителя (воды),причем в одной из объемов создается дополнительное механическое давление. В исходном состоянии обе объемы системы заполняются обрабатываемым солевым раствором. Избыточное механическое давление может создаваться, в том числе, и за счет собственного веса воды при расположении камер системы на различной высоте. При создании разности давлений между объемами системы,заполненными солевым раствором, возникает компенсирующая разность осмотических давлений, которая обуславливается перемещением ионов через мембранный элемент,являющиеся ограниченно проницаемыми для растворителя (воды). При использовании составной мембраны перемещение низкомолекулярных ионов происходит через соответствующую ее часть,определяемую знаком заряда иона. Сущность изобретения иллюстрируется- Фиг.1, на которой показана иллюстрация к принципу разделения раствора на обогащенный и обедненный, положенному в основу заявляемого способа- Фиг.2, на которой показана общая схема устройства, реализующего заявляемый способ Схема демонстрационного опыта,иллюстрирующего принцип разделения раствора на обогащенный и обедненный, положенный в основу заявляемого способа (фиг.1), содержит- две связанные между собой -образные трубки(1) и (2),- соединительные трубки (перемычки) (3) и (4),обеспечивающие возможность перетока растворов из трубок из колен трубки (1) и колена трубки (2),- анионообменный гель (5), заполняющий нижнюю часть трубки (1)- катионообменный гель (6), заполняющий нижнюю часть трубки (2)-образных трубок (1) и (2), первоначально имеющие одинаковую концентрацию- поршни (9), создающие механическое давление. Демонстрационный опыт осуществляют следующим образом.-образные трубки (1) и (2) соединяют перемычками (3) и (4), обеспечивающими свободный обмен жидкостью между соответствующими коленами трубок (1) и (2). В нижних частях трубок (1) и (2) размещают анионообменную (5) и катионообменную мембраны. Все четыре колена (1) и (2) заполняют солевым раствором, изначально имеющим одинаковую концентрацию. К раствору (7) прилагают внешнее механическое давление при помощи поршней (9). Регистрируют разность концентраций между солевыми растворами (7) и (8). Устройство, реализующее заявляемый способ- наружный корпус (1),- объемы, заполняемые исходным раствором (2) и (3),- каналы подвода исходного раствора (4) и (5),узел(6),обеспечивающий создание избыточного/пониженного давления,- мембранный элемент (7), проницаемый для ионов обоих знаков заряда, и ограниченно проницаемый для растворителя (воды),- каналы отвода обогащенного/обедненного растворов (8) и (9). Способ осуществляют следующим образом. Оба объема (2) и (3), заключенных в наружный корпус (1), заполняют исходным раствором через канал (4) и (5). С помощью узла (6), представляющего собой в простейшем случае поршень, в объеме (2) создают повышенное/пониженное давление по сравнению с давлением в объеме (3), что вызывает переток низкомолекулярных ионов через мембранный элемент (7) и, соответственно, появление разности концентраций между солевыми растворами в объемах (2) и (3). Обогащенный/обедненный раствор отводят по каналам (8) и (9). Мембранный элемент выбирают,как проницаемый для ионов обоих знаков заряда и ограниченно проницаемый для растворителя (воды),момент начала отвода обогащенного/обедненного раствора выбирают исходя из конкретной величины разности скоростей движения ионов и растворителя через мембранный элементы (7). 3 При необходимости дальнейшего снижения концентраций обедненный солевой раствор пропускают через еще один каскад опреснения,конструкционно полностью аналогичный описанному выше. Преимуществом данного способа деминерализации раствора является возможность существенной экономии затрат энергии на деминерализацию. Например, необходимая разность механических давлений может быть создана при помощи тепловых насосов, т.е. система в целом может работать исключительно на основе солнечной энергии,без подключения дополнительных источников. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ деминерализации растворов,заключающийся в разделении исходного раствора на обедненный и обогащенный по низкомолекулярному компоненту за счет потока отдельных компонентов раствора, протекающего через проницаемый для них мембранный элемент из одного объема в другой, и возникающего за счет приложения разности механических давлений к объемам, отделенным друг от друга мембранным элементом, отличающийся тем, что объемы заполняют солевым раствором и разделяют мембранным элементом, проницаемым для ионов обеих знаков заряда из одного объема в другой, за счет приложения разности механических давлений в диапазоне от 0 до 1 атм.