Способ деминерализации растворов

(51) 02 1/469 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ очистки растворов при использовании источников тепла произвольного типа в диапазоне рабочих температур от 30 до 80 С, а также возможность использования широкого спектра источников тепловой энергии без преобразования в электричество. Способ деминерализации растворов,заключающийся в разделении исходного раствора на обедненный и обогащенный по низкомолекулярной компоненте за счет использования анионообменных и катионообменных мембран,движение низкомолекулярных ионов через мембраны осуществляют, создавая разность температур между растворами, один раствор поддерживают при температуре от 0 до 30 С, а второй - от 35 С до 80 С. Таким образом, преимуществом данного способа деминерализации раствора является возможность использования широкого спектра источников энергии без преобразования в электричество(вторичное тепло двигательных установок,солнечная радиация и т.д.). В частности, данный способ может быть реализован в комбинации с фотоэлектрическими солнечными панелями.(72) Сулейменов Ибрагим Эсенович Мун Григорий Алексеевич Игликов Игорь Владимирович Фалалеев Андрей Павлович(73) Некоммерческое акционерное общество Алматинский университет энергетики и связи Сулейменов Ибрагим Эсенович Мун Григорий Алексеевич(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 растворов непосредственно использующего тепловую энергию любого происхождения, и реализуемого при сравнительно низких температурах(ниже температуры кипения воды). Технический результат,полученный от реализации изобретения - увеличение глубины Изобретение относится к области мембранных технологий и может быть применено для опреснения солоноватых грунтовых вод, морской воды, очистке сточных вод и т.д. Известен 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 (например,низкомолекулярные ионы).(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 данного способа деминерализации(обессоливания) растворов является необходимость использования высоких давлений (около 217 атм для фильтрации и опреснения питьевой и солоноватой воды, и 2470 атм для морской воды). Это приводит, как к значительным затратам энергии, так и к необходимости использования гидротехнического оборудования повышенной прочности. 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. Ионообменные мембранные материалы свойства, модификация и практическое применение//Российские нанотехнологии. -209.- 4(3), с.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 Недостатком данного способа деминерализации(обессоливания) растворов является необходимость использования вспомогательного раствора с низкой концентрацией удаляемых ионов, что неприемлемо,например, для целей опреснений морской воды. Наиболее близким аналогом по числу существенных признаков (прототипом) является 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 растворенного в нем электролита посредством двух потоков концентрата,направленных в противоположные стороны, причем перешедшие через мембраны ионы, остаются в концентрате(Билат Б.В., Основы электродиализа / Уч. пособие. М., изд. Авваллон, 2004). Основным недостатком прототипа является необходимость затрат электроэнергии на опреснение, причем количество затрачиваемой энергии возрастает по мере увеличения глубины очистки. Технической задачей изобретения является разработка способа деминерализации растворов непосредственно использующего тепловую энергию любого происхождения, и реализуемого при сравнительно низких температурах(ниже температуры кипения воды). Технический результат,полученный от реализации изобретения - увеличение глубины очистки растворов при использовании низкотемпературных источников тепла произвольного типа в диапазоне рабочих температур от 30 до 80 С, а также возможность использования широкого спектра источников тепловой энергии без преобразования в электричество. Для достижения технического результата в способе деминерализации растворов,заключающийся в разделении исходного раствора на обедненный и обогащенный по низкомолекулярной компоненте за счет использования анионообменных и катионообменных мембран, в соответствии с изобретением,обогащаемые и обедняемые растворы, разделяют мембраной, проницаемой для низкомолекулярных ионов обоих знаков заряда,один раствор поддерживают при температуре от 0 до 30 С, а второй - от 35 С до 80 С. Изобретение основано на возникновении тепловой составляющей разности электрохимических потенциалов между двумя объемами, заполненными солевыми растворами,обладающих различными температурами,и разделенными составной мембраной. Одна часть мембраны выполнена из катионообменной пленки, а вторая - анионообменной. Тепловая составляющая электрохимической разности потенциалов вызывает перенос ионов каждого из знаков через соответствующую часть составной мембраны. Результатом является обеднение одного из объемов системы по низкомолекулярной компоненте и обогащение по этой компоненте второго из объемов. Устройство, реализующее способ, представляет собой двухкамерный резервуар, разделенный составной мембраной, обладающей высоким тепловым сопротивлением, одна часть которой выполнена из катионообменного, а вторая - из анионообменного материала, причем одна из камер резервуара подключена к источнику тепла, а вторая - к холодильнику. В исходном состоянии обе камеры резервуара заполняются обрабатываемым солевым раствором. Источником тепла может служить, например,солнечная радиация, в частности, устройство,реализующее заявляемый способ,может использоваться в комбинации с фотоэлектрической солнечной панелью. При нагреве одной из камер резервуара между его частями возникает разность электрохимических потенциалов, вызывающая перемещение ионов через мембраны, являющиеся непроницаемыми для растворителя(воды). Перемещение низкомолекулярных ионов происходит через соответствующую часть мембраны, определяемую знаком заряда иона. Сущность изобретения иллюстрируется- Фиг.1, на которой показана общая схема устройства, реализующего заявляемый способ. Устройство, реализующее заявляемый способ,содержит - основную двухсекционную камеру (1),заполняемую исходным солевым раствором, включающую в себя холодную (2) и нагретую (3) части- канал подвода исходного раствора (4) источник тепла (5) - каналы отвода обогащенного(6) и обедненного (7) по низкомолекулярной компоненте раствора - составную мембрану (8),включающую в себя, как катиоонообменные (9), так и анионообменные (10) сегменты. Способ осуществляют следующим образом. Обе части камеры (1) заполняют исходным солевым раствором через канал (4). Нагреваемую часть камеры (3) подсоединяют к источнику тепла (5), в результате чего возникает разность электрохимических потенциалов. Она вызывает движение низкомолекулярных ионов через соответствующие сегменты мембраны (8) анионы движутся через анионообменные сегменты (10),катионы - через катионообменные (9). Солевые растворы в обеих частях камеры (1) при этом остаются электрически нейтральными. Обогащенный по низкомолекулярной компоненте солевой раствор отводят по каналу (6), обедненный по каналу (7). Использование составной катионоанионообменной мембраны,обеспечивает возникновение тепловой компоненты разности электрохимических потенциалов при нагреве. Таким образом, преимуществом данного способа деминерализации раствора является возможность использования широкого спектра источников энергии без преобразования в электричество(вторичное тепло двигательных установок,солнечная радиация и т.д.). В частности, данный способ может быть реализован в комбинации с фотоэлектрическими солнечными панелями. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ деминерализации растворов,заключающийся в разделении исходного раствора на обедненный и обогащенный по низкомолекулярному компоненту за счет использования анионообменных и катионообменных мембран, отличающийся тем,что обогащаемые и обедняемые растворы разделяют мембраной,проницаемой для низкомолекулярных ионов обоих знаков заряда,один раствор поддерживают при температуре от 0 до 30, а другой - от 35 до 80.