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Procédé et appareil pour l'extraction d'un dissolvant d'une solution
La présente invention est relative à un procédé à l'aide duquel le dissolvant d'une solution peut être séparé de la matière dissoute dans le dissolvant. Plus spécialement l'invention est relative à un procédé pour obtenir de 'eau non salée d'une eau salée ou de l'eau de mer dont on veut séparer le sel.
Pendant les dernières années, la population grandissants et l'expansion continue de vieilles industries et le développement
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de nouvelles industries ont contribué ensemble au besoin croissant de nouvelles sources bon marché d'eau potable de bon goût et d'cau industrielle suffisamment libre de sels et de minéraux qu'on trouve en général dans l'eau de mer et d'autres sources d'eau salée pour permettre l'usage in- dustriel de cette eau.
Différentes méthodes ont été employées pour obtenir de l'eau libre de sels déplaisants.
L'exemple typique le plus ancien est probablement le procédé utilisant la distillation. Mais, à cause des grandes dépenses engagées dans la production de suffisamment d'énergie calorifique nécessaire à l'obtention de la distillation, la distillation comme méthode pour l'obtention de grandes quantités d'eau pendant des périodes non définies, mais prolongées, a été peu pratique et non acceptable.
Manquant de méthodes plus satisfaisantes et moins chères, il a été nécessaire dans de nombreux cas de continuer l'usage . de la méthode coûteuse et inefficace qu'est la distillation.
Une autre méthode typique employée couramment, mais très coûteuse, eat la méthode employant l'échange des ions par lequel le sel est retiré de la solution salée.
Une autre méthode typique qui a été employée avec peu de succès, est la méthode appelée parfois osmose inverse, dans laquelle des pressions énormes sont exercées sur une solution saléc se trouvant en contact intime avec une membrane osmotique, méthode par laquelle l'eau de la solution salée est forcée à passer par la membrane osmotique dans un vase récepteur de l'autre côté de la membrane osmotique, duquel l'eau est retirée dans un état non salé.
A cause de la pression
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énorme requise (c'est-à-dire plus de 24,6 kg/cm2) pour dépasser le flux osmotique normal et pour inverser le flux osmotique pourque l'eau de la solution salée soit forcée à passer à travers la membrane osmotique dans une direction opposée à celle due à la pression osmotique normale, le pression énorme détruit la membrane osmotique qui est nécessairement une membrane fine à travers laquelle l'oamose est possible.
Différents efforts de renforcement ont échoué à l'empêchement du problème de la rupture de la membrane, quoique différents traitements tels que la dépôt d'un nombre plus grand de groupes hydroxiles sur la membrane de cellulose d'acétate, ont substantiellement accru le maximum , de flux qu'on peut obtenir, tel qu'un accroissement d'environ 530 litres/m 2 pendant 24 heures jusqu'à 895 litres/m 2 pendant 24 heures.
Une autre méthode typique employée couramment est une méthode par vaporisation dans laquelle de l'eau éclabous- sante (contenant une matière déplaisante tel que le sel) produit une pression de vapeur accrue, cette eau étant après condensée sous forme d'eau non salée en mettant la vapeur en contact avec une surface unie et l'humidité condensée est recueillie, séparée de l'eau salée agitée. Un tel procédé demande une énergie suffisante pour agiter l'eau salée, mais malheureusement n'obtient qu'un très petit rendement en humidité condensée.
Conformément, pour obtenir une quantité pratique d'eau par un tel procédé, de grandes consommations d'énergie sont indispensables ainsi qu'une installation grande et coûteuse.
Pendant les dernières années et avec le développement de méthodes améliorées employant l'énergie atomique, et dans
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l'absence do méthodes plus satisfaisantes et économiques pour obtenir de l'eau non salée, l'énergie atomique a été employée en combinaison avec la méthode distillatoire décrite plus haut.'Mais à cause des frais toujours grands pour l'énergie atomique et des grandes fabriques et installations de sûreté nécessaires pour son emploi, et parce que le matériel nucléaire ne peut pas être employé au hasard dans chaque zone où l'on en a besoin, indépendamment des facteurs économiques de la situation, l'énergie atomique n'a pas fourni la réponse au besoin continuel d'une source d'eau non salée pratique et économique.
Il est donc un objet important de la présente invention de fournir un procédé pour l'obtention d'un dissolvant libre de matières dissoutes déplaisantes.
Un autre objet est de fournir un procédé qui ne demande pas de grandes consommations d'énergie pour obtenir de l'eau qui est libre de sels déplaisants et/ou de minéraux déplaisants sur une large échelle de production à un prix assez bas et économique et qui ne demande pas du matériel grand et/ou cher.
Un autre objet encore est d'obtenir un procédé pour la production d'eau qui est libre de sels déplaisants qui peut être employé dans divers endroits du monde sans tenir compte du manque de sources d'énergie classiques ainsi qu'un appareil pour exécuter le procédé de cette invention.
D'autres aspects de l'invention ressortiront de la description qui suit.
Les buts de cette invention sont obtenus par un procédé qui emploie l'osmose naturelle à travers une membrane
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semi-perméable. Par le procédé de cette invention une solution hautement concentrée ou boue est préparée dans laquelle la matière dissoute qui est employée pour la préparation de la solution ou boue, est une matière dissoute qui peut être aisément enlevée de la solution aqueuse formée par l'eau entrant dans la solution préparée par osmose à travers une membrane semi-perméable en contact avec la solution préparée.
Conformément à ce procédé l'eau de la solution salée passe par osmose à travers la membrane osmotique dans la solution préparée plus concentrée ou boue, et le volume accru de la solution préparée est ensuite retiré du contact avec la membrane osmotique; la matière dissoute du volume préparé de la solution préparée est alors enlevée de la solution par l'emploi de dispositifs appropriés pour la matière dissoute employée.
Quoiqu'ils existent différentes variations de la méthode décrite plus haut, un procédé préféré est illustré schématiquement dans la figure 1.
La figure 1 décrit un procédé dans lequel de l'eau de mer est placée en contact intime avec une membrane semi- perméable ayant une solution préparée de l'autre côté en contact intime avec le côté opposé de la membrane semi-permé- able, la solution préparée étant plus concentrée (ayant une concentration plus élevée en matière dissoute) que l'eau de mer contenant les sels non désirés comme matières dissoutes. Comme l'eau passe à travers la membrane semi-perméable dans la solu- tion préparée, le volume de la solution préparée est accru.
Comme le volume de la solution préparée augmenta,la solution
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préparée a tendance à diminuer sa concentration. Dans l'exécution illustrée par la figure, de la matière dissoute est ajoutée à , la solution préparée à un taux substantiellement égal au taux selon lequel la solution préparée tend à devenir moins concentrée par l'eau osmotique qui y pénètre. De même., comme la solution préparée augmente en volume, un moyen de débordement est employé par lequel le volume croissant passe dans un second récipient pour la solution préparée.
Ensuite, la seconde solution séparée est soumise à une réaction appropriée ou à des conditions appropriées telles qu'un changement de température et/ou de pression, ou une combinaison de telles conditions appropriées par lesquelles la matière dissoute dans la solution préparée dans le récipient séparé est séparée du dissolvant de la solution, laissant un dissolvant substantiellement pur et libre de matières dissoutes déplaisantes tels que les sels de l'eau de mer.
Dans l'usage d'une matière dissoute pour obtenir la solution préparée dans laquelle l'eau passera de l'eau de mer par osmose il est dans le cadre de l'invention qu'on peut employer toute manière dissoute qui peut être enlevée par des réactions classiques ou par sujétion à des changements classiques des conditions physiques, tels que des changements de température et/ou de pression par exemple.
Les matières dissoutes préférées de cette invention sont telles qu'après la séparation de la solution préparée, elles peuvent être employées à plusieurs reprises dans un procédé cyclique. D'autres matières dissoutes préférées de cette invention peuvent être enlevées de la solution préparée en transformant la matière dissoute en d'autres composants
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utiles ou en d'autres produite secondaires.
L'invention comprend l'extraction de tout dissolvant de toute solution par le procédé osmotique de cette invention pour autant que le dissolvant de la solution osmotique peut passer par osmose à travers une membrane appropriée.
Par ce procédé, dans le cas d'un dissolvant contenu dans une solution de matières dissoutes non désirées ou dan@ le cas où l'on désire obtenir du dissolvant d'une telle solution, le dissolvant est extrait par l'emploi du procédé à membrane osmotique décrit plus haut dans lequel une solution préparée plus concentrée attaque par osmose le dissolvant qui doit être extrait.
Comme il a été dit plus haut, la plus grande utilité de la présente invention semble résider dans l'extraction d'eau non salée (libre de sels déplaisants) de 1*eau de mer. suivant le dissolvant à extraire, une membrane osmotique appropriée est employée. Dans le cas d'extraction d'eau de l'eau de mer, chaque membrane osmotique classique ou chaque membrane qu'on considère appropriée pour l'osmose, peut Cire employée. Des membranes typiques sont par exemple des membranes telles qu'une vessie d'un animal, de la cellulose d'acétate, et une grande partie des différentes résines synthétiques en forme de membranes qui peuvent être utilisées pour l'osmose.
La solution préparée dans laquelle l'eau extraite coule par osmose à partir de l'eau de mer de l'autre côté de la membrane, peut être préparée avec chaque dissolvant dans lequel la matière dissoute est soluble.
Dans l'exécution de l'invention dans laquelle l'eau
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extraite n'est pas employée comme eau potable et n'a donc pas besoin d'être de bon goût, des dissolvants non aqueux sont employés pour préparer la solution préparée. De préféronce de tels dissolvants sont incompatibles avec l'eau de sorte que l'eau aura tendance à se séparer du dissolvant de la solution préparée et pourra être plus aisément retirée dans un récipient à part duquel la matière dissoute pourra être enlevée.
Dans l'exécution préférée de l'invention, le dissolvant utilisé pour préparer la solution préparée ou la boue préparée est l'eau.
Les moyens utilisés pour enlever la matière dissoute de la solution préparée ou de la boue dépendent de la matière dissoute particulière employée. Les méthodes typiques pour l'enlèvement comprennent l'emploi de réactions chimiques, la précipitation, l'évaporation, la filtration, l'action centrifuge, le dégagement d'un gaz;, toute combinaison de ces dernières et des moyens similaires.
Suivant une exécution de cette invention la solution préparée comprend des composés qui sont caractérisée par un changement marqué de leur solubilité dû à un changement de température ou de pression de leur solution aqueuse par exemple. Des composés typiques explicatifs sont ceux qui sont solubles dans l'eau froide, mais insolubles dans l'eau chaude par exemple, tels que les acides valériques;
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l-vicine (C10H1607N4)' coquimbite (P'e2 (80) 2 9ü20) acide manganic (HMno 4)8 manganèse (VII) acide (hept manganic-HMn207--red cil); tropinel chloroplatinate (CaH1SN)HC1)2PtC14)'
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glucurone; acide glUcoroniqueJ lactone (CsHeO,COÔ)1 tréonine C13H1NOSi oitrulline ('fION Ct3j 'o0g) permanganate de magnésium (Mg Mni) a 6H0) et des matières similaires.
Il y a beaucoup de sels et d'autres matières (matières dissoutes) qui sont solubles dans l'eau chaude mais insolubles dans l'eau froide, ceci étant le phénomène normalement attendu, et ces composés sont beaucoup trop nombreux pour les énumérer ici; voilà pourquoi la International Criticality Tables on solubility, la dernière des éditions à cette date, est incorporée en référence comme une partie intime et intégrale de la description de cette invention.
De plus il sera remarqué que le choix de la matière dissoute, aussi bien que le choix des dissolvants à employer dans la solution préparée, est déterminé par l'usage qu'on donnera à l'eau extraite. Par exemple, si l'eau est employée comme eau potable, le dissolvant et la matière dissoute devront être tels que les caractéristiques sapides de l'eau extraite ne seront pas altérées. Alternativement, si l'eau n'est pas employée comme eau potable, le choix de la matière dissoute et du dissolvant est tel qu'il n'empêchera pas l'usage de l'eau pour son usage préconisé, tel que l'usage industriel d'un certain type par exemple.
Le choix prendra en considération que quelques unes des matières dissoutes et/ou des dissolvants employés dans la solution préparée peuvent être retenus à un certain degré dans l'eau qui en était séparée substantiellement: dans la suite.
Par l'usage de la force osmotique naturelle pour réaliser la séparation du dissolvant de la matière dissoute
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non désirée, particulièrement dans la séparation d'eau de bon goût de l'eau de mer, le procédé osmotique de cette invention pout être adapté à une petite unité portative qui prendra nécessairement un temps plus long pour produire un haut rendement que mettra une plus grande unité. Alterna- tivement, le procédé peut être adapté à de plua grandes surfaces de membranes osmotiques perméables, etc.
Un appareil pour réaliser le procédé de cette invention peut être décrit comme appareil comprenants (1) une source d'une première solution comprenant un dissolvant et une matière dissoute y contenue en solution, cette source étant adjacente à (2) une membrane osmotique de façon que cette première solution est en contact intime avec une surface de cette membrane osmotique, (3) une seconde solution comprenant un dissolvant dans lequel une matière dissoute est dissoute dans un rapport de matière dissoute/dissolvant'plus grand que le rapport matière dissoute/dissolvant de la première solution, cette seconde solution étant en contact intime avec la surface opposée de cette membrane osmotique et séparée do cette première solution, et (4) un moyen pour retirer au moins une portion de la seconde solution,
comprenant des moyens, où l'on désire, pour séparer le dissolvant de la matière dissoute de cette seconde solution retirée.
Les exemples suivants sont donnés & titre d'illustration de cette invention et dont le but n'est pas de limiter la portée de celle-ci,.
EXEMPLE 1 L'oxyde de calcium (CaO) est mis en réaction avec l'eau pour produire de l'hydroxyde de calcium (Ca(OH)2) qui
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est mis en réaction avec du chlore ou de l'eau chlorée pour produire: (1) CaCl2, (2) Ca(OCl)2 et (3) de l'eau, @ et ce produit de réaction, ou les sels, est employé dans la concentration désirée comme seconde solution préparée de cette invention dans laquelle l'eau coulera par osmose d'une autre solution ayant une concentration en matière 'dissoute plus petite. Comme l'eau coule dans la seconde solution préparée, le volume croissant passe par un moyen de débordement et est recueilli.
De l'anhydride carbonique est ajouté à l'eau recueillie, soit sous forme gazeuse ou en solution, en une quantité suffisante pour produire du carbonate de calcium précipité, de l'eau, et du gaz de chlore, et le précipité est filtré. Le chlore contenu dans l'eau sert à purifier l'eau, mais peut, si on le désire, être substantiellement enlevé en chauffant l'eau ou par d'autres moyens équivalents. Le carbonate de calcium précipité peut être réemployé dans le procédé en le chauffant pour le reconvertir en CaO et anhydride carbonique. Pareillement, le gaz de chlore peut être recueilli et réemployé dans le procédé. Par cela le procédé cyclique est économique.
L'eau obtenue, quand le carbonate de calcium est enlevé par filtration et/ou après la filtration, quand le chlore en est chassé, est substantiellement libre de matières dissoutes et de bon goût.
EXEMPLE II
De l'eau est mise en réaction avec du gaz de chlore de manière à produires (1) HCl et (2) HClO, auquel on ajoute de l'hydroxyde de baryum pour produire par réaction (1) BaCl2, (2) Ba(ClO)2, et de l'eau; on emploie ce produit de réaction,
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ou les sels, comme seconde solution de cette invention dans laquelle l'eau passe par osmose à partir d'une solution contenant une concentration en matière dissoute plus petite.
A l'eau débordante recueillie on ajoute de l'acide sulfurique (2H2SO4) qui donne par réaction du sulfate de baryum (2BaSO4) précipité, de l'eau et du gaz de chlore (Cl2).
D'une manière pareille à l'exemple I, après la filtration, le sulfate de baryum peut être réemployé ainsi que le gaz de chlore. L'eau filtrée est substantiellement de bon goût.
EXEMPLE III
De l'oxyde de calcium est mis en réaction avec l'eau pour produire de l'hydroxyde de calcium, comme dans l'exemple I; l'hydroxyde de calcium est mis en réaction avec de l'acide
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chlorique (2HC7.03.7H20) pour produiret (1) Ca (C103) 2'2H20' et (2) de l'eau (7H2O), qui est employé comme seconde solution dans laquelle l'eau coule par osmose. A la solution débordante recueillie on ajoute de l'anhydride carbonique ou, alternative- ment, de l'acide carbonque (H2CO3) pour produire du carbonate de calcium précipité et 2HClO3. Le carbonate est enlevé par filtration et après chauffage le HClO3 dans l'eau filtrée s'échappe comme gaz de chlore et oxygène, tous les deux servant à purifier l'eau de bon goût et les gaz peuvent être recueillis pour réusage ou pour la vente.
EXEMPLE IV
Cet exemple est analogue à l'exemple III décrit plus haut, à l'exception que l'hydroxyde de baryum est substitué à l'hydroxyde de calcium, et que l'acide chlorique est mis en réaction avec celui-ci pour produire la solution
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préparée, et à la solution débordante recueillie on ajoute de l'acide sulfurique qui produit, après réaction, du sulfate de baryum précipité qui est enlevé par filtration, et du 2HClO3 comme dans l'exemple précédent.
EXEMPLE V
Dans une méthode de décomposition on emploie du
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BBCIO) pour produire: (1) 4HCI04' (2) 2cl, (3) 2Ho, et (4) 3(O2). Faisant usage des précautions de sécurité appropriées, le potassium est mis en réaction avec 2HClO4 pour produire 2KClO4 et du gaz d'hydrogène. L'hydrogène peut être vendu et le KC104 est employé comme deuxième solution dans laquelle l'eau coule par osmose.
Si dans le produit de réaction cité plus haut, ou dans le sel de potassium en dérivé il y a un produit secondaire tel que le HClO3, la réaction suivante produira sûrement éventuellement du HClO4; par exemple, le 4HClO3 se décompose en 2HC10 et en 2HClO4, et le HClO2 se décompose ou bien (1) en HClO et 2HClO3, ou (2) en H2O et ClO2 -- qui est instable, ou (3) en HCl et 2HC103, le HCl réagissant avec le HClO pour produire de l'eau et du gaz de chlore. Alternativement, le KClO4 peut être préparé par toute méthode typique. Il est à remarquer que le KCLO4 est reconnu comme le moins soluble dans l'eau contenant des parchlorates. En chauffant légèrement la solution, la solubilité est accrue.
En abaissant suffisamment la température de la solution recueillie, le KClO4 peut être séparé de l'eau par des moyens appropriés à cause de l'insolubilité du KC104-
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EXEMPLE VI
De l'hypochlorite de calcium ( Ca(ClO)2.2H2O) est empl@é pour obtenir la solution préparée dans laquelle l'eau coulera par osmose. L'hypochlorite de calcium peut être préparé par réaction du gaz de chlore (Cl2) avec l'hydroxyde de calcium, ou alternativement par toute méthode typique connue. A la solution recueillie (solution débordante) on ajoute de l'anhydride carbonique (CO2) ou une solution de celui-ci comme acide carbonique, pour produire du carbonate de calcium précipité (CaCO), du gaz de chlore, qui peut être recueilli, et de l'eau (4H2O).
EXEMPLE VII
On emploie un ou plusieurs composés qui sont solubles dans l'eau froide, mais insolubles dans l'eau chaude, pour obtenir la solution préparée dans laquelle l'eau coule par osmose de la solution contenant une concentration de matière dissoute plus petite. La solution débordante recueillie est chauffée de sorte que la matière dissoute devient insoluble, et la matière dissoute insoluble est séparée substantiellement en même temps ou près du diluant libre de matière dissoute (dans ce cas l'eau est le diluant) par l'emploi de moyens appropriés pour séparer la matière dissoute particulière.
Les matières dissoutes qui sont insolubles dans l'eau chaude ont été décrites plus haut.
Il est remarquer que un ou plusieurs des modes de réalisation typiques de cette invention peuvent être combinés pour rendre le procédé plus efficace que si l'on emploie une seule matière dissoute et/ou diluant (dissolvant) pour
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obtenir la solution préparée dans laquelle l'osmose a'effectuera.
Il est à remarquer encore que malgré que cette invention se rapporte en premier lieu aux problèmes importants d'obtenir de l'eau de bon goût et/ou de l'eau pour l'usage commercial d'une source abondante telle que l'eau de mer, par une méthode suffisamment économique et efficace, et qui ne demande pas de grandes installations, la méthode de cette invention peut être employée pour séparer d'une façon efficace une matière dissoute précieuse d'un dissolvant dans lequel elle est dissoute et dans lequel par exemple la matière dissoute précieuse est présente en une concentration si petite que d'autres méthodes de séparation ne sont normalement pas réalisables.
Une exécution additionnelle de cette invention est un appareil dans lequel le procédé de cette invention est inhérent comme suit, par exemple. Une source de solution No. 1 fournit cette solution qui comprend un dissolvant et une matière dissoute en solution dans le dissolvant, la source de cette solution est placée adjacent à une membrane osmotique (une membrane semi-perméable) d'une manière que cette solution est en contact intime avec une face (côté ou surface) de cette membrane osmotique, et une seconde solution d'un dissolvant contenant une matière dissoute d'une plus haute concentration; cette seconde solution est placée séparée de la première solution et en contact intime avec la face (surface) opposée de cette membrane osmotique;
et un moyen pour retirer au moins une portion de cette seconde solution quand ou après qu'elle
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est devenue moins concentrée par le flux osmotique a. travers cette membrane osmotique.
Cette invention décrite dans la description donnée plus haut se rapporte à et est limitée à des matières dissoutes substantiellement non volatiles et séparables pour obtenir la "solution préparée" de cette invention dans laquelle l'eau ou d'autres dissolvants passent par osmose à travers une membrane semi-perméable. Le terme *matière dissoute substantiellement non volatile" sert à exclure les composés qui sont dans un état gazeux et volatil dans les conditions normales de température et de pression, tel que l'anhydride sulfurique, l'ammoniac, et des matières pareilles. Le terme substantiellement volatil est employé ici parce que, à des températures extrêmes suffisamment élevées, la plupart des matières deviennent volatiles.
Les gaz volatils, tels que l'anhydride sulfurique ou l'ammoniac, sont par exemple seulement peu solubles et accroissent ainsi la difficulté d'en obtenir des solutions hautement concentrées, et par cela ces gaz ne sont pas pratiques et ils ne pourront probablement pas du tout fournir un moyen pour préparer une solution de matières dissoutes suffisamment concentrée pour attirer l'eau par osmose à travers une membrane semi-perméable à partir d'une solution d'eau do mer. De même, les gaz volatils, tels que l'anhydride sulfurique et l'ammoniac par exemple, ne peuvent pas être maniés facilement ou commodément ou sans risque comme les matières dissoutes liquides et/ou solides de l'invention décrites plus haut.
De plus, de tels gaz sont corrosifs pour la membrane semi-perméable
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qui est fragile, mince et sensible qu'on peut utiliser pour l'osmose. Contrairement à cela les matières dissoutes non volatiles séparables de cette invention sont (1) généralement non-corrosives, (2) hautement solubles (spécialement en comparaison avec les gaz) et par cela peuvent être hautement concentrées et encore soumises facilement à un enlèvement subséquent, les hautes concentrations facilitant une grande vitesse d'osmose, (3) comme liquide ou solide, la matière dissoute peut être facilement maniée, (4) il y a un grand choix de matières dissoutes uniques ou de différents mélanges de matières dissoutes suivant cette invention, et (5)
les matières dissoutes de cette invention étant substantiellement non volatiles et séparables, donnent un procédé pratique adaptable ou bien à une petite ou grande échelle industrielle, et pour la première fois offrent un moyen pratique pour obtenir de l'eau de bon goût de la solution salée de l'eau de mer. Le terme "séparable* se rapporte à la propriété décrite dans la description de cette invention, par laquelle la matière dissoute, ou son produit de décomposition, ou son produit de réaction, peut être aisément séparé du dissolvant dans lequel elle est dissoute, à l'aide des moyens décrits dans la description de l'invention et dans les exemples cités plus haut.
Comparé aux méthodes connues pour séparer les eaux de bon goût et/ou des eaux pour usage industriel à partir de solutions contaminées tel que l'eau de mer salée, il ressort clairement de l'entière description précédente de l'invention que cette invention constitue une amélioration majeure et substantielle et un progrès de la technique.
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Dans une ou plusieurs des illustrations et exemples indiquant différents modes de réalisation de cette invention, toute métho@ typique peut être utilisée pour la séparation de la matière dissoute particulière employée pour obtenir la solution préparée dans laquelle le dissolvant, tel que l'eau, coule par osmose. Par conséquence, l'illustration et les exemples de la description n'ont pas pour but de limiter la portée de l'invention décrire plus haut et l'invention est entendue s'étendre à tous les équivalents et variations mineures de celle-ci et évidentes pour celui versé dans la matière.
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Method and apparatus for extracting a solvent from a solution
The present invention relates to a method by which the solvent of a solution can be separated from the material dissolved in the solvent. More especially, the invention relates to a process for obtaining unsalted water from salt water or sea water from which the salt is to be separated.
During the last years, the growing population and the continuous expansion of old industries and development
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new industries have together contributed to the growing need for new inexpensive sources of tasteful drinking water and industrial water sufficiently free of salts and minerals generally found in seawater and other sources of salt water to allow the industrial use of this water.
Different methods have been used to obtain water free from unpleasant salts.
The oldest typical example is probably the process using distillation. But, because of the great expenses incurred in producing enough heat energy necessary to obtain distillation, distillation as a method of obtaining large quantities of water for undefined, but prolonged periods, has been impractical and unacceptable.
Lacking more satisfactory and cheaper methods, it has been necessary in many cases to continue use. the costly and inefficient method of distillation.
Another typical method in common use, but very expensive, is the ion exchange method by which salt is removed from the salt solution.
Another typical method which has been used with little success is the method sometimes called reverse osmosis, in which enormous pressures are exerted on a salt solution in intimate contact with an osmotic membrane, whereby the water of the Salt solution is forced to pass through the osmotic membrane into a receiving vessel on the other side of the osmotic membrane, from which the water is removed in an unsalted state.
Because of the pressure
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enormous required (i.e. more than 24.6 kg / cm2) to exceed the normal osmotic flow and to reverse the osmotic flow so that the water in the salt solution is forced to pass through the osmotic membrane in a opposite direction to that due to normal osmotic pressure, the enormous pressure destroys the osmotic membrane which is necessarily a thin membrane through which oamosis is possible.
Different strengthening efforts failed to prevent the problem of membrane rupture, although different treatments such as deposition of a greater number of hydroxyl groups on the cellulose acetate membrane, substantially increased the maximum, flux that can be achieved, such as an increase of about 530 liters / m 2 for 24 hours to 895 liters / m 2 for 24 hours.
Another typical method in common use is a spray method in which splashing water (containing an unpleasant material such as salt) produces an increased vapor pressure, this water then being condensed as unsalted water in contacting the steam with a smooth surface and the condensed moisture is collected, separated from the stirred salt water. Such a process requires sufficient energy to stir the salt water, but unfortunately achieves only a very small yield of condensed moisture.
Accordingly, in order to obtain a practical amount of water by such a process, high energy consumption is essential as well as a large and expensive installation.
During the last years and with the development of improved methods employing atomic energy, and in
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In the absence of more satisfactory and economical methods of obtaining unsalted water, atomic energy has been employed in combination with the distillation method described above. But because of the ever great expense of atomic energy and of large factories and safety installations necessary for its use, and because nuclear material cannot be used at random in every area where it is needed, regardless of the economic factors of the situation, atomic energy has no not provided the answer to the continuing need for a convenient and economical source of unsalted water.
It is therefore an important object of the present invention to provide a process for obtaining a solvent free from unpleasant dissolved materials.
Another object is to provide a process which does not require large consumption of energy to obtain water which is free from unpleasant salts and / or unpleasant minerals on a large scale of production at a fairly low and economical price and which does not require large and / or expensive equipment.
Yet another object is to obtain a process for the production of water which is free from unpleasant salts which can be employed in various places of the world regardless of the lack of conventional energy sources as well as an apparatus for carrying out the process. method of this invention.
Other aspects of the invention will emerge from the following description.
The objects of this invention are achieved by a process which employs natural osmosis across a membrane.
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semi-permeable. By the process of this invention a highly concentrated solution or slurry is prepared in which the dissolved material which is employed for the preparation of the solution or slurry is a dissolved material which can be easily removed from the aqueous solution formed by the incoming water. in the solution prepared by osmosis through a semi-permeable membrane in contact with the prepared solution.
According to this method the water of the salt solution is osmosed through the osmotic membrane into the more concentrated prepared solution or slurry, and the increased volume of the prepared solution is then removed from contact with the osmotic membrane; the dissolved material from the prepared volume of the prepared solution is then removed from the solution by the use of devices suitable for the dissolved material employed.
Although there are different variations of the method described above, a preferred method is illustrated schematically in Figure 1.
Figure 1 depicts a process in which seawater is placed in intimate contact with a semi-permeable membrane having a solution prepared on the other side in intimate contact with the opposite side of the semi-permeable membrane, the prepared solution being more concentrated (having a higher concentration of dissolved matter) than seawater containing unwanted salts as dissolved matter. As the water passes through the semi-permeable membrane in the prepared solution, the volume of the prepared solution is increased.
As the volume of the prepared solution increased, the solution
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prepared tends to decrease its concentration. In the embodiment shown in the figure, dissolved material is added to the prepared solution at a rate substantially equal to the rate at which the prepared solution tends to become less concentrated by the osmotic water entering it. Likewise, as the prepared solution increases in volume, an overflow means is employed whereby the increasing volume passes into a second container for the prepared solution.
Then, the second separated solution is subjected to an appropriate reaction or to suitable conditions such as a change in temperature and / or pressure, or a combination of such suitable conditions whereby the material dissolved in the solution prepared in the separated vessel. is separated from the solvent from the solution, leaving a substantially pure solvent free of unpleasant solutes such as sea water salts.
In the use of a dissolved material to obtain the prepared solution in which the water will pass from seawater by osmosis it is within the scope of the invention that any dissolved manner can be employed which can be removed by classical reactions or by subjection to classical changes in physical conditions, such as changes in temperature and / or pressure for example.
The preferred dissolved materials of this invention are such that after separation from the prepared solution, they can be used repeatedly in a cyclic process. Other preferred dissolved materials of this invention can be removed from the prepared solution by converting the dissolved material into other components.
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useful or other secondary products.
The invention includes removing any solvent from any solution by the osmotic method of this invention as long as the solvent from the osmotic solution can be osmosed through a suitable membrane.
By this method, in the case of a solvent contained in a solution of unwanted dissolved materials or in the case where it is desired to obtain a solvent from such a solution, the solvent is extracted by the use of the method of osmotic membrane described above in which a prepared more concentrated solution attacks by osmosis the solvent which is to be extracted.
As stated above, the greatest utility of the present invention appears to lie in the extraction of unsalted water (free of unpleasant salts) from seawater. Depending on the solvent to be extracted, a suitable osmotic membrane is employed. In the case of extracting water from seawater, any conventional osmotic membrane or each membrane which is considered suitable for osmosis can be employed. Typical membranes are, for example, membranes such as an animal bladder, acetate cellulose, and many of the various synthetic resins in the form of membranes which can be used for osmosis.
The prepared solution in which the extracted water flows by osmosis from the sea water on the other side of the membrane, can be prepared with each solvent in which the dissolved material is soluble.
In carrying out the invention in which the water
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extracted is not used as potable water and therefore does not need to be of good taste, non-aqueous solvents are used to prepare the prepared solution. Preferably such solvents are incompatible with water so that the water will tend to separate from the solvent of the prepared solution and can be more easily removed into a container from which the dissolved material can be removed.
In the preferred embodiment of the invention, the solvent used to prepare the prepared solution or the prepared slurry is water.
The means used to remove dissolved material from the prepared solution or slurry will depend on the particular dissolved material employed. Typical methods of removal include the use of chemical reactions, precipitation, evaporation, filtration, centrifugal action, evolution of gas, any combination of these and the like.
According to one embodiment of this invention, the solution prepared comprises compounds which are characterized by a marked change in their solubility due to a change in temperature or pressure of their aqueous solution, for example. Typical explanatory compounds are those which are soluble in cold water, but insoluble in hot water, for example, such as valeric acids;
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1-vicine (C10H1607N4) 'coquimbite (P'e2 (80) 2920) manganic acid (HMno 4) 8 manganese (VII) acid (hept manganic-HMn207 - red cil); tropinel chloroplatinate (CaH1SN) HC1) 2PtC14) '
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glucurone; glucoronic acidJ lactone (CsHeO, CO6) 1 treonine C13H1NOSi oitrulline ('fION Ct3j' o0g) magnesium permanganate (Mg Mni) at 6H0) and similar materials.
There are many salts and other matters (dissolved matter) which are soluble in hot water but insoluble in cold water, this being the phenomenon normally expected, and these compounds are far too numerous to list them here; this is why the International Criticality Tables on solubility, the last of the editions to date, is incorporated by reference as an intimate and integral part of the description of this invention.
In addition, it will be appreciated that the choice of the dissolved material, as well as the choice of the solvents to be employed in the prepared solution, is determined by the use to be given to the extracted water. For example, if the water is used as potable water, the solvent and the dissolved matter should be such that the palatable characteristics of the extracted water will not be altered. Alternatively, if the water is not used as drinking water, the choice of the dissolved material and the solvent is such that it will not prevent the use of the water for its recommended use, such as the use. industrial of a certain type for example.
The choice will take into consideration that some of the dissolved materials and / or solvents employed in the prepared solution may be retained to some degree in the water which was substantially separated therefrom.
By the use of natural osmotic force to effect the separation of the solvent from the dissolved matter
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Unwanted, particularly in the separation of tasty water from seawater, the osmotic process of this invention can be adapted to a small portable unit which will necessarily take a longer time to produce a high yield than will take longer. great unit. Alternatively, the process can be adapted to larger areas of permeable osmotic membranes, etc.
An apparatus for carrying out the method of this invention may be described as an apparatus comprising (1) a source of a first solution comprising a solvent and a dissolved material contained therein in solution, said source being adjacent to (2) an osmotic membrane so that this first solution is in intimate contact with a surface of this osmotic membrane, (3) a second solution comprising a solvent in which a dissolved material is dissolved in a dissolved material / solvent ratio greater than the dissolved material / solvent ratio of the first solution, this second solution being in intimate contact with the opposite surface of this osmotic membrane and separated from this first solution, and (4) a means for removing at least a portion of the second solution,
comprising means, where desired, for separating the solvent from the dissolved material of this withdrawn second solution.
The following examples are given by way of illustration of this invention and the aim of which is not to limit the scope thereof.
EXAMPLE 1 Calcium oxide (CaO) is reacted with water to produce calcium hydroxide (Ca (OH) 2) which
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is reacted with chlorine or chlorinated water to produce: (1) CaCl2, (2) Ca (OCl) 2 and (3) water, @ and this reaction product, or the salts, is employed in the desired concentration as a second prepared solution of this invention in which water will flow by osmosis from another solution having a smaller dissolved matter concentration. As the water flows into the second prepared solution, the increasing volume passes through an overflow means and is collected.
Carbon dioxide is added to the collected water, either in gaseous form or in solution, in an amount sufficient to produce precipitated calcium carbonate, water, and chlorine gas, and the precipitate is filtered. The chlorine contained in the water serves to purify the water, but can, if desired, be substantially removed by heating the water or by other equivalent means. The precipitated calcium carbonate can be reused in the process by heating it to convert it back to CaO and carbon dioxide. Likewise, chlorine gas can be collected and reused in the process. The cyclic process is therefore economical.
The water obtained, when the calcium carbonate is removed by filtration and / or after filtration, when the chlorine is removed therefrom, is substantially free of dissolved matter and of good taste.
EXAMPLE II
Water is reacted with chlorine gas to produce (1) HCl and (2) HClO, to which is added barium hydroxide to reactively produce (1) BaCl2, (2) Ba ( ClO) 2, and water; this reaction product is used,
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or salts, as a second solution of this invention in which water is osmosed from a solution containing a smaller dissolved matter concentration.
Sulfuric acid (2H2SO4) is added to the collected overflowing water, which gives, by reaction, precipitated barium sulfate (2BaSO4), water and chlorine gas (Cl2).
In a similar manner to Example I, after filtration, the barium sulfate can be reused as well as the chlorine gas. Filtered water is substantially tasteful.
EXAMPLE III
Calcium oxide is reacted with water to produce calcium hydroxide, as in Example I; calcium hydroxide is reacted with acid
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chlorine (2HC7.03.7H20) to produce (1) Ca (C103) 2'2H20 'and (2) water (7H2O), which is used as a second solution into which water flows by osmosis. To the overflowing solution collected is added carbon dioxide or, alternatively, carbonic acid (H2CO3) to produce precipitated calcium carbonate and 2HClO3. The carbonate is removed by filtration and after heating the HClO3 in the filtered water escapes as chlorine gas and oxygen, both serving to purify the tasting water and the gases can be collected for re-use or for sale. .
EXAMPLE IV
This example is analogous to Example III described above, except that barium hydroxide is substituted for calcium hydroxide, and chloric acid is reacted with it to produce the solution.
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prepared, and to the overflowing solution collected is added sulfuric acid which produces, after reaction, precipitated barium sulfate which is removed by filtration, and 2HClO3 as in the previous example.
EXAMPLE V
In a decomposition method, we use
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BBCIO) to produce: (1) 4HCI04 '(2) 2cl, (3) 2Ho, and (4) 3 (O2). Using proper safety precautions, potassium is reacted with 2HClO4 to produce 2KClO4 and hydrogen gas. Hydrogen can be sold and KC104 is used as the second solution in which the water flows by osmosis.
If in the reaction product mentioned above, or in the potassium salt thereof there is a side product such as HClO3, the following reaction will surely eventually produce HClO4; for example, 4HClO3 breaks down into 2HC10 and 2HClO4, and HClO2 breaks down either (1) into HClO and 2HClO3, or (2) into H2O and ClO2 - which is unstable, or (3) into HCl and 2HC103 , HCl reacting with HClO to produce water and chlorine gas. Alternatively, KClO4 can be prepared by any typical method. It should be noted that KCLO4 is recognized as the least soluble in water containing parchlorates. By slightly heating the solution, the solubility is increased.
By sufficiently lowering the temperature of the collected solution, KClO4 can be separated from water by appropriate means due to the insolubility of KC104-
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EXAMPLE VI
Calcium hypochlorite (Ca (ClO) 2.2H2O) is used to obtain the prepared solution in which the water will flow by osmosis. Calcium hypochlorite can be prepared by reacting chlorine gas (Cl2) with calcium hydroxide, or alternatively by any typical known method. To the collected solution (overflowing solution) carbon dioxide (CO2) or a solution thereof as carbonic acid is added, to produce precipitated calcium carbonate (CaCO), chlorine gas, which can be collected, and water (4H2O).
EXAMPLE VII
One or more compounds which are soluble in cold water, but insoluble in hot water, are employed to obtain the prepared solution in which water flows by osmosis from the solution containing a smaller concentration of dissolved matter. The collected overflowing solution is heated so that the dissolved material becomes insoluble, and the insoluble dissolved material is separated substantially at or near the free diluent from dissolved material (in this case water is the diluent) by the use of suitable means for separating the particular dissolved matter.
Dissolved materials which are insoluble in hot water have been described above.
It should be noted that one or more of the typical embodiments of this invention may be combined to make the process more efficient than employing a single dissolved material and / or diluent (solvent) for.
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obtain the prepared solution in which the osmosis will take place.
It is further noted that although this invention relates primarily to the important problems of obtaining good tasting water and / or water for commercial use from an abundant source such as water. sea, by a sufficiently economical and efficient method, and which does not require large installations, the method of this invention can be employed to effectively separate valuable dissolved material from a solvent in which it is dissolved and in which for example the valuable dissolved material is present in such a small concentration that other separation methods are not normally feasible.
An additional embodiment of this invention is an apparatus in which the method of this invention is inherent as follows, for example. A source of solution No. 1 provides that solution which comprises a solvent and a material dissolved in solution in the solvent, the source of this solution is placed adjacent to an osmotic membrane (a semi-permeable membrane) in a manner that this solution is in intimate contact with one face (side or surface) of this osmotic membrane, and a second solution of a solvent containing dissolved material of a higher concentration; this second solution is placed separate from the first solution and in intimate contact with the opposite face (surface) of this osmotic membrane;
and means for removing at least a portion of this second solution when or after it
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became less concentrated by the osmotic flow a. through this osmotic membrane.
This invention described in the description given above relates to and is limited to substantially non-volatile and separable dissolved materials to obtain the "prepared solution" of this invention in which water or other solvents are osmosed through a semi-permeable membrane. The term "substantially non-volatile dissolved material" is used to exclude compounds which are in a gaseous and volatile state under normal conditions of temperature and pressure, such as sulfur trioxide, ammonia, and the like. substantially volatile is employed here because, at sufficiently high temperature extremes, most materials become volatile.
Volatile gases, such as sulfur trioxide or ammonia, for example, are only sparingly soluble and thus increase the difficulty of obtaining highly concentrated solutions from them, and therefore these gases are impractical and probably not possible. at all provide a means for preparing a dissolved solids solution sufficiently concentrated to draw water by osmosis through a semi-permeable membrane from a seawater solution. Likewise, volatile gases, such as Sulfur trioxide and ammonia, for example, cannot be handled easily or conveniently or without risk like the liquid and / or solid dissolved materials of the invention described above.
In addition, such gases are corrosive to the semi-permeable membrane.
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which is brittle, thin and sensitive that can be used for osmosis. In contrast to this, the separable non-volatile dissolved materials of this invention are (1) generally non-corrosive, (2) highly soluble (especially compared to gases) and hence can be highly concentrated and still easily subjected to subsequent removal, high concentrations facilitating a high rate of osmosis, (3) as liquid or solid, dissolved matter can be easily handled, (4) there is a large choice of single solutes or different mixtures of solutes according to this invention , and (5)
the dissolved materials of this invention being substantially non-volatile and separable, provide a practical process adaptable to either a small or large industrial scale, and for the first time provide a practical way to obtain tasty water from salt solution seawater. The term "separable * refers to the property disclosed in the description of this invention, whereby the dissolved material, or its decomposition product, or its reaction product, can be readily separated from the solvent in which it is dissolved, using the means described in the description of the invention and in the examples cited above.
Compared to the known methods for separating tasty waters and / or waters for industrial use from contaminated solutions such as salt sea water, it is clear from the entire preceding description of the invention that this invention constitutes a major and substantial improvement and technical progress.
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In one or more of the illustrations and examples indicating different embodiments of this invention, any typical method can be used for the separation of the particular dissolved material employed to obtain the prepared solution in which the solvent, such as water, flows. by osmosis. Accordingly, the illustration and examples of the description are not intended to limit the scope of the invention described above and the invention is intended to extend to all equivalents and minor variations thereof and obvious to one versed in the matter.