BRPI0718601A2 - Motor de aquecimento osmótico. - Google Patents

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BRPI0718601A2
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BRPI0718601-0A2A
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Robert L Mcginnis
Menachem Elimelech
Jeffrey Mccutcheon
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Univ Yale
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Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MOTOR DE AQUECIMENTO OSMÓTICO".
Referência Cruzada com Pedidos Relacionados Este pedido reivindica os benefícios do Pedido de Patente Provi- sório U.S. N- 60/858.245, depositado em 09 de novembro de 2006, cuja ma- téria encontra-se incorporada inteiramente ao presente à guisa de referên- cia.
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a um motor de aquecimento os- mótico para converter energia térmica em trabalho mecânico que usa uma membrana semipermeável para converter pressão osmótica em energia elé- trica.
Antecedentes da Invenção
O aumento da demanda global de energia, juntamente com a ampliação dos regulamentos das emissões de dióxido de carbono, aumen- tou o interesse em fontes de energia renovável e eficiências aperfeiçoadas no uso de combustível. Contudo, uma restrição importante com relação à adoção de novos combustíveis e tecnologias de energia é o custo da energia produzida por esses meios. Ao mesmo tempo em que os subsídios e outras formas de suporte artificial podem auxiliar na introdução dessas fontes de energia renováveis, a substituição bem sucedida dos combustíveis tradicio- nais devem necessariamente ser conduzidas pelos custos totais de energia.
A pressão retardada de osmose (PRO), ou "energia de salinida- de" como é freqüentemente referida, é um processo de conversão de ener- gia por pressão osmótica com base em membrana. A PRO utiliza fluxo os- mótico através de uma membrana semipermeável para gerar eletricidade. Os processos PRO são comentados, por exemplo, na Patente U.S. N- 3.906.250 de Loeb, na Patente U.S. N- 3.587.227 de Weingarten et al, e na Patente U.S. N- 3.978.344 de Jellinek, cujas descrições encontram-se intei- ramente incorporadas ao presente à guisa de referência.
À princípio, os locais considerados adequados para uso de tec- nologia PRO focava nos deltas de rio em corpos de água salina como, por exemplo, o oceano. O Mar Morto ou o Grande Lago de Sal. Nesses locais, existe um gradiente de pressão osmótica onde a água doce de um rio se mistura livremente com a água do mar. O processo PRO utiliza essa energia química e converte a mesma em eletricidade. Nos processos PRO do estado da técnica, a água salina é pressurizada e posicionada oposta à água doce através de uma membrana semipermeável. A diferença de pressão osmótica entre a água do mar e a água doce (que é maior do que a pressão hidráulica induzida na água doce) leva o fluxo osmótico a ocorrer através das membra- nas. A medida que o fluxo ocorre na água do mar pressurizada, a pressão é aliviada pela expansão através de uma hidroturbina (ou outro dispositivo) que gere eletricidade.
Os processos PRO nos deltas de rio, também conhecidos como PRO de "loop aberto", são dotados de várias limitações operacionais e de projeto. Primeiro é a necessidade de pré-tratamento dispendioso de alimen- tação e extração de fluxos, similar àquele requerido nos processos de des- salinização, para evitar incrustações de membranas e componentes de pro- cesso.
Outra dificuldade surge das baixas pressões osmóticas diferen- ciais encontradas entre muitas águas de alimentação natural. Isto é, a dife- rença de pressão osmótica disponível não é extraordinariamente alta a não ser que o corpo de água salina seja super salina, como, por exemplo, o Mar Morto ou o Grande Lago de Sal. Infelizmente, o fluxo volumétrico de água nesses corpos de água é de algum modo pequeno e, consequentemente, irá produzir energia limitada mesmo para processo PRO projetado de poço. A água do mar, por exemplo, é dotada de uma pressão osmótica de aproxima- damente 2,53 MPa (25 atm), que não permite pressões hidráulicas altas que são desejáveis para produção de energia eficiente. Nos casos onde são considerados fluxos de concentração mais alta, as pressões hidráulicas mais altas podem ser usadas, mas a eficiência do processo será significativamen- te prejudicada da polarização de concentração interna (ICP) que ocorre na estrutura de suporte da membrana usada para o processo. Esse fenômeno é particularmente exacerbado pela espessura da camada de suporte aumen- tada requerida para resistir às pressões hidráulicas aumentadas possibilita- das por fluxos mais concentrados.
Uma consideração final é a necessidade de colocar instalações de energia na interface entre os fluxos naturais, freqüentemente áreas de importância ambiental considerável, como, por exemplo, estuários, áreas naturais sujeitas a inundação (wetland) e enseadas.
Contudo, o principal obstáculo ao processo PRO viável é o de- sempenho deficiente de membrana. As investigações anteriores no PRO descobriram que o desempenho do fluxo de membrana era deficiente de- mais para tornar a geração de energia uma opção viável. Os índices baixos de fluxo requerem o uso de mais área de membrana para alcançar fluxo vo- lumétrico suficiente para gerar energia e são devidos a um fenômeno cha- mado polarização de energia.
O fluo ocorre da solução de "alimentação" diluída (água doce) na solução "seca" concentrada (água do mar). Quando isso ocorre, as substân- cias dissolvidas se estabelecem ao longo da superfície da membrana ao longo do lado de alimentação. No lado saturado da membrana, o solvente dilui as substâncias dissolvidas ao longo da superfície de membrana. Uma vez que as concentrações na superfície de membrana ditam a diferença de pressão osmótica verdadeira através da membrana, esses fenômenos de polarização de concentração devem ser minimizados para assegurar fluxos altos. O rigor dos fenômenos de polarização de concentração pode ser a- brandado por circulação cruzada, onde o fluxo turbulento próximo à superfí- cie de membrana pode reduzira espessura dessas camadas limites. Infelizmente, as membranas atualmente em uso são assimétri-
cas na estrutura. Nessas membranas, uma fina camada de separação (a camada que rejeita o sal, também chamada de "camada ativa") é suportada por uma camada de suporte porosa que proporciona força mecânica para a membrana. Essas membranas foram projetadas para processos de mem- brana acionados por pressão, como, por exemplo, osmose reversa (RO). Na osmose reversa, essas camadas de suporte não inibem o fluxo uma vez que a água está literalmente sendo forçada através da membrana pela pressão hidráulica. Por outro lado, no fluxo osmótico, a força de acionamento da pressão osmótica é estabelecida apenas sobre a fina camada ativa. A ca- mada de suporte porosa desempenha um papel insignificante, e freqüente- mente impedindo o desempenho do fluxo osmótico.
Conforme ilustrado na figura 1, uma camada de polarização de concentração significante pode se formar dentro da camada de suporte po- rosa no lado de alimentação. Chamada de "polarização de concentração interna" (ICP), essa camada impacta a pressão osmótica em uma extensão muito maior do que as camadas de polarização de concentração externa da membrana (EPC). A minimização ou eliminação da ICP é crítica para de- sempenho viável da pressão de osmose retardada. A membrana deve ainda ser capaz de rejeitar sal a um alto grau, contudo e ser altamente permeável à água.
Para as aplicações PRO, a solução de extração deve ser dotada de alta pressão osmótica a fim de gerar quantidades razoáveis de energia. No PRO de delta de rio, contudo, os gradientes de pressão osmótica são um tanto pequenos. Os gradientes de pressão osmótica menores requerem mais área de membrana para gerar grandes fluxos volumétricos. Esse pro- blema, acoplado à ICP e aos fenômenos de incrustações, tornam a pressão osmótica disponível ainda menor. Outros resultados associados à extração de substância dissolvida incluem compatibilidade com os componentes de sistema e a membrana. A água doce pode ser corrosiva às partes de metal e tanto a água doce quanto a água do mar podem conter componentes bioló- gicos que provocam bioincrustações nos componentes de sistema, incluindo a membrana.
A PRO de delta de rio flui em uma configuração de Ioop aberto. Isso significa que as soluções de alimentação e extração são retornadas pa- ra o oceano após o processo PRO estar completo. Quando a água do mar e a água do rio são levadas para o sistema PRO, as mesmas precisam ser filtradas e desinfetadas para evitar formulação de incrustação e bioincrusta- ção, respectivamente. Além de aumentar o custo total do projeto, quaisquer substâncias químicas que sejam adicionadas nessas águas devem ser lava- das com jato d' água para o mar ou serem removidas por meio físico ou quí- mico. O descarte de substâncias químicas de desinfecção e subproduto de desinfecção pode ter impactos ambientais imprevistos. O desvio de água de rio pode também ter impacto ambiental na ecologia do delta de rio frágil.
Portanto, para criar um processo de pressão retardada viável, foi
proposto o uso dos sistemas PRO de ciclo fechado, que são intencionados a usar aquecimento de temperatura baixo para reciclar um agente osmótico. Essa abordagem não capitaliza nos gradientes de salinidade natural, mas em vez disso explora o uso de pressão osmótica como um meio para a pro- dução de trabalho, possibilitando a conversão de fontes de temperatura bai- xa propícias ambientalmente para energia elétrica. Em vários processos, a solução de extração é uma solução de um sal iônico, como, por exemplo, cloreto de sódio, conforme descrito, por exemplo, na Patente U.S. No. 3.906.250 de Loeb. O aquecimento aplicado áo OHE iria reconcentrar a so- lução de extração pela vaporização de uma parte de água no fluxo, que será então condensada para formar fluido de funcionamento deionizado. Outros processos envolvem a remoção de uma substância dissolvida volátil, ou pre- cipitação de substâncias químicas de seguida de sua re-dissolução.
Uma dificuldade principal enfrentada por esses OHEs é a efici- ência térmica fraca devido às exigências de entrada de calor alta para água e vaporização de substância dissolvida orgânica. No caso de substâncias dissolvidas precipitáveis quimicamente, o consumo de estoque de alimenta- ção química pode apresentar dificuldades para operação econômica. Um desafio adicional é a dificuldade de obter separação de substância dissolvida completa o suficiente para evitar os efeitos de polarização de concentração (CP) na água de alimentação. Isso não é um problema quando a água é va- porizada e recondensada como fluido de operação destilado, mas pode a- presentar um problema significativo quando usa substâncias dissolvidas de extração removíveis que sejam difíceis de remover completamente. Isso aponta para um desafio reocorrente adicional em processos
de membrana acionados osmoticamente - a dificuldade de identificar uma substância dissolvida pode tanto criar pressões osmóticas quanto ser alta- mente removível para reuso. A capacidade de remoção quase completa é muito importante, devido os efeitos da polarização da concentração interna no fluido de operação (solução de alimentação) pode reduzir drasticamente o fluxo de água de membrana. Portanto, o motor de aquecimento osmótico ideal usa uma substância dissolvida de extração que seja dotada das se- guintes características: (1) altamente solúvel; (2) completamente removível; (3) é dotado de alta difusibilidade para transferência de massa eficaz no sis- tema de membrana, e (4) requer menos aquecimento para remoção de substância dissolvida do que aquela requerida para a vaporização de água ou substâncias dissolvidas orgânicas altamente solúveis.
A invenção aqui descrita tenta superar alguns dos problemas observados do estado da técnica pela proposta de um meio alternativo de produção de energia, que usa pressão osmótica para gerar energia elétrica das fontes de aquecimento de grau baixo. Ao mesmo tempo em que foram conduzidas várias investigações do uso de fenômenos osmóticos para pro- duzir energia, como, por exemplo, aquelas usadas para converter "energia de salinidade" de uma mistura de salina natural e fluxos de água doce, rela- tivamente poucos estudos focaram no uso dos fenômenos osmóticos para produzir energia através da conversão de calor. Sumário da Invenção
E um objetivo da presente invenção proporcionar um motor de aquecimento osmótico que inclui água diluída (quase deionizada) como um fluido de operação e uma membrana que seja configurada de maneira que a polarização de concentração interna não impeça o fluxo osmótico de água através da membrana.
É outro objetivo da presente invenção proporcionar um motor de aquecimento osmótico sendo dotado de substância dissolvida de extração que seja totalmente compatível com todos os componentes de sistema.
É ainda outro objetivo da presente invenção proporcionar um motor de aquecimento osmótico que use uma substância dissolvida de ex- tração que seja altamente solúvel e completamente removível.
E ainda outro objetivo da presente invenção proporcionar um motor de aquecimento osmótico sendo dotado de uma substância dissolvida de extração que proporcione um grande gradiente de pressão osmótica.
E ainda outro objetivo da presente invenção proporcionar um motor de aquecimento osmótico que minimize os impactos ambientais do processo PRO.
Para esse fim, a presente invenção se refere geralmente a um processo PRO de Ioop fechado que utilize uma substância dissolvida de ex- tração reciclável.
Em uma modalidade, a presente invenção se refere a um méto- do de geração de energia usando um motor de aquecimento osmótico de dióxido de amônia - carbono, compreendendo as etapas de:
a) pressurizar uma solução de extração concentrada para uma pressão hidráulica mais baixa do que sua pressão osmótica em um primeiro lado de uma membrana semipermeável;
b) introduzir um fluido de funcionamento diluído (quase deioni- zado) em um lado oposto da membrana semipermeável;
c) levar uma parte do fluido de funcionamento diluído a fluir atra- vés da membrana semipermeável na solução de extração pressurizada para criar um fluxo de água que expanda o volume da solução de extração;
d) induzir o fluxo do volume expandido da solução de extração através de uma turbina para produzir energia; e
e) processar o volume expandido da solução de extração atra- vés de uma coluna de destilação em uma temperatura adequada e pressio- nar para separar as substâncias dissolvidas da solução de extração, produ- zindo, por meio disso, nova solução de extração e cursos de fluido de fun- cionamento para reuso no sistema.
Breve Descrição dos Desenhos
Para maior compreensão da invenção, é feita referência às des- crições que se seguem tomadas com relação às figuras que a acompanham, nas quais:
A figura 1 descreve um processo PRO na presença de polariza- ção de combustão interna do lado de alimentação da membrana de uma po- larização de concentração externa do lado da solução de extração da mem- brana.
A figura 2 descreve um sistema de motor de aquecimento osmó- tico de acordo com a presente invenção.
A figura 3 descreve dados e demonstra a relação entre o fluxo de agua e a concentração da solução de extração para a membrana.
A figura 4 descreve a densidade de energia da membrana com relação à pressão hidráulica e osmótica no motor de aquecimento osmótico da invenção.
A figura 5 descreve a eficiência do motor de aquecimento osmó- tico como uma porcentagem de eficiência de motor Carnot, com relação à diferença entre as pressões hidráulica e osmótica da solução de extração. Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas
A presente invenção se refere geralmente a um método de gerar energia usando um motor de aquecimento osmótico de dióxido de amônia - carbono compreendendo as etapas de:
a) pressurizar uma solução de extração concentrada para uma pressão hidráulica mais baixa do que sua pressão osmótica em um primeiro lado de uma membrana semipermeável, onde a solução de extração con- centrada compreende amônia e dióxido de carbono;
b) introduzir um fluido de funcionamento diluído em um lado o- posto da membrana semipermeável, onde o fluido de funcionamento diluído compreende água quase deionizada;
c) levar uma parte do fluido de funcionamento diluído a fluir atra- vés da membrana semipermeável na solução de extração pressurizada para criar um fluxo de água que expanda o volume da solução de extração;
d) induzir o fluxo do volume expandido da solução de extração através de uma turbina para produzir energia; e
e) processar o volume expandido da solução de extração atra- vés de uma coluna de destilação em uma temperatura adequada e pressio- nar para separar as substâncias dissolvidas da solução de extração, produ- zindo, por meio disso, nova solução de extração e cursos de fluido de fun- cionamento para reentrada no sistema.
O motor de aquecimento osmótico aqui descrito é projetado para competir com outros tipos de motor de aquecimento osmótico incluído turbi- nas de gás (Brayton Cycle), turbinas de vapor (Ranking Cycle), motores de combustão interna (gasolina, diesel), e motor de combustão interna (motores Stirling).
A presente invenção se refere a um motor de aquecimento os- mótico de ciclo fechado. O sistema usa uma solução de extração de dióxido de amônia - carbono e um fluido de funcionamento de água deionizada. O fluido de funcionamento de água deionizada compreende água que seja substancialmente (ou quase) deionizada. Quase deionizada significa que o fluido de funcionamento de água deionizada contém menos do que 1 ppm de amônia e dióxido de carbono e nenhuma outra substância dissolvida. A solu- ção de extração é altamente solúvel, osmoticamente eficiente e contém substâncias dissolvidas inteiramente removíveis e recicláveis. O uso de água deionizada como um fluido de funcionamento maximiza a transferência de massa de membrana pela eliminação dos efeitos de polarização de concen- tração interna.
A solução de extração compreende sais de amônia formados pela introdução de amônia e dióxido de carbono na água e é usada na OHE da invenção para gerar energia elétrica. A solução de extração é formulada pela mistura de sal de bicarbonato de amônia com hidróxido de amônia para formar uma solução complexa de sais de amônia compreendendo bicarbo- nato de amônia, carbonato de amônia e carbamato de amônia. A quantidade de hidróxido de amônia adicionada é minimizada para minimizar a concen- tração de amônia não ionizada na solução de extração. A solução de extra- ção concentrada é dotada de um índice de amônia para dióxido de carbono em torno de 1:1 a 2,5:1. Além disso, a solução de extração é dotada de uma concentração de entre 0,1 e 12 molar, preferivelmente, entre em torno de 3 a em torno de 6 molar.
Essa solução de extração é dotada de várias características de- sejáveis, incluindo (1) alta solubilidade de sais de amônia; (2) peso molecu- lar relativamente baixo e alta difusibilidade das espécies químicas conduzin- do para pressões osmóticas altas e efeitos de polarização de concentração externa moderados; (3) substâncias dissolvidas que são quase completa- mente removíveis no sentido de que os sais de amônia, ao aquecerem com a solução de extração em uma temperatura e pressão apropriadas (por e- xemplo 60°C) em 101.3 kPa (1 atm), se decompõe para gases de amônia e dióxido de carbono que podem ser prontamente removidos para níveis me- nores do que 1 ppm; e (4) a energia térmica requerida para a remoção e re- ciclagem dessas substâncias dissolvidas de uma quantidade de água é sig- nificativamente menor do que aquela requerida para vaporizar a própria á- gua.
No motor de aquecimento osmótico de dióxido de amônia - car- bono da invenção, a solução de extração concentrada é pressurizada para uma pressão hidráulica menor do que sua pressão osmótica, um fluido de funcionamento diluído (água deionizada contendo menos do que 1ppm de amônia e dióxido de carbono) flui através da membrana semipermeável para a solução pressurizada, induzindo o fluxo através da turbina, produzindo e- nergia. O calor é introduzido para o motor de aquecimento osmótico para conduzir uma separação das substâncias dissolvidas da solução de extra- ção, resultando em solução de extração e cursos de fluido de funcionamento renovados. Um cambiador de pressão similar aqueles usados na dessalini- zação de osmose reversa (RO) é usado par manter a pressão do lado da solução de extração da membrana em funcionamento de estado firme.
A presente invenção usa uma substância dissolvida de extração reciclável em PRO, onde o calor é entrado para o sistema que serve para regenerar a substância dissolvida de extração e excesso de calor é rejeitado para o ambiente de algum modo. O sistema é conhecido como "motor de aquecimento osmótico" porque o calor é absorvido e rejeitado e é produzido trabalho. Ao mesmo tempo em que foram configuradas anteriormente con- cepções desse tipo de sistema, o desempenho fraco de membrana e/ou uso ineficiente do calor limitou o desenvolvimento adicional, devido em parte ao desempenho inadequado dos agentes de solução de extração selecionados * e efeitos de polarização de concentração interna graves.
Para superar as deficiências do estado da técnica, a presente invenção propõe o uso de motor de aquecimento osmótico de dióxido de amônia - carbono (NH3-CO2). Esse motor de aquecimento está ilustrado na figura 2 e usa uma mistura de gases de amônia e dióxido de carbono mistu- rados em solução. Esses gases formam sais de amônia solúveis em solu- ção, que pode gerar pressões osmóticas além de 250 atmosferas, mais do que 10 vezes aquela da água do mar. A solução de extração é altamente solúvel, osmoticamente eficiente, e contem substâncias dissolvidas altamen- te recicláveis e removíveis. O uso de água deionizada como um fluido de funcionamento maximiza a transferência de massa de membrana pela elimi- nação dos efeitos de polarização de concentração internos. Os resultados aqui demonstram a praticabilidade do motor de aquecimento osmótico para conversão prática de fontes de aquecimento de temperatura baixa para e- nergia.
O motor de aquecimento osmótico da invenção confia no uso de um fluido de funcionamento de água deionizada (isto é, contendo pouca ou nenhuma substância dissolvida). O uso desse fluido como uma alimentação para a membrana é vantajoso porque não ocorre nenhuma ICP. Ao mesmo
* 20 tempo em que o vazamento de sal da solução de extração através da mem-
brana pode causar ICP, a membrana é escolhida para rejeitar sal a um alto grau, que serve para neutralizar essa tendência. A membrana é uma mem- brana semipermeável que é dotada de uma camada ativa orientada em dire- ção à solução de extração e uma camada de apoio orientada em direção à solução de alimentação. O fluxo de água que expande o volume da solução de extração é tipicamente menor do que 25 m3/m2-s.
Uma das chaves para o processo eficiente do motor de aqueci- mento osmótico da invenção é o calor requerido para separar água pura da solução de extração diluída. Isso é onde o benefício do uso da solução de amônia e dióxido de carbono se torna evidente, porque esses gases podem ser tirados com sucesso da água usando vapor de temperatura baixa. A mo- delagem de remoção de gás usando Aspen HYSYS® (disponível de Aspen Technology, Burlington, MA) mostrou que o vapor com temperatura tão baixa quanto 40°C pode ser utilizado sob um processo de retirada de gás a vácuo. Isso permite a utilização de uma variedade de fontes térmicas que são tipi- camente dotadas de pouca utilidade e de custo baixo ou sem nenhum custo.
A utilização do motor de aquecimento osmótico NH3-CO2 de a- quecimento de grau baixo é crítica para sua implementação viável como uma alternativa de geração de eletricidade. As fontes térmicas de grau baixo são provenientes de uma variedade de indústrias incluindo a fabricação de metal (laminação de aço), fabricação de vidro, refino de óleo e geração de energia termoelétrica, à guisa de exemplo e não de limitação. Todas essas indústrias usam métodos elaborados de recuperar seu calor não utilizado, mas calor de grau baixo é sempre perdido para o ambiente através de resfri- amento de água ou gases de fornalha.
Podem também ser usadas fontes renováveis de calor. As fontes de calor geotérmicas são abundantes, mas são raramente de qualidade alta o suficiente para gerar eletricidade diretamente. Tipicamente, essas fontes podem ser usadas para aquecer e esfriar residências, mas podem também ser usadas em uma configuração de ciclo binário que utiliza o calor para va- porizar um líquido secundário, como, por exemplo, amônia, e expandir aque- le vapor através de uma turbina. O vapor pode então ser condensado pela rejeição de calor para o ar ou água de superfície. Um conceito similar do uso de água quente no oceano é a conversão de energia térmica do oceano (O- TEC). Esse sistema compreende um motor que utiliza a água quente da su- perfície do oceano como uma fonte térmica e a água fria do fundo do oceano como uma pia de aquecimento. Similar ao ciclo binário geotérmico, a OTEC usa água quente para vaporizar um líquido, como amônia, que então se ex- pande através de uma turbina. O gás é então condensado com a água fria do fundo do oceano e reciclado. Para ambos os processos, um gás está sendo usado como um fluido de funcionamento e, portanto, deve ser usada uma grande turbina (isto é, pelo menos em torno de 10 metros de diâmetro de turbina a vapor OTC). Essa é uma limitação de projeto que pode ser mi- norado substituindo o sistema de vapor de amônia comumente usado com o motor de aquecimento osmótico da invenção. Usando água quente para tirar a solução de extração NH3-CO2 e a água fria para condensar esses gases, o fluido de funcionamento direcionado através da turbina para gerar energia é em vez disso um líquido. Isso é de benefício significativo, porque as hidro- turbinas são muito menores do que as turbinas projetadas para uso de ga- ses de densidade baixa, e são muito eficientes no trabalho de conversão em eletricidade.
Um benefício do motor de aquecimento osmótico da presente invenção é a habilidade para converter com sucesso fontes térmicas de grau baixo em energia elétrica. A configuração do motor de aquecimento da in- venção soluciona muitos dos resultados econômicos e ambientais anteriores de PRO de saída de rio devido à sua configuração de Ioop fechado e subs- tância dissolvida de extração reciclável. Utilizando as fontes térmicas de grau baixo também proporciona uma fonte de energia livre de custos porque o custo da energia está relacionada apenas ao custo do capital do equipa- mento amortizado durante a vida do equipamento e manutenção. O calor requerido para separar as substâncias dissolvidas de extração da solução é tipicamente introduzida em uma temperatura entre em torno de 35 a 250°C. Além disso, a temperatura requerida para separar as substâncias dissolvidas de extração da solução é proporcional à pressão e a pressão é tipicamente introduzida em torno de 0,05 a em torno de 10 atm. Exemplo:
Foram conduzidas experiências de fluxo no laboratório para de- terminar a viabilidade do processo de motor de aquecimento osmótico da invenção. O fluxo d' água deve ser alto se a geração de energia for eficiente. Os testes anteriores no fluxo usando membranas de osmose reversa mos- traram que o fluxo raramente excedeu valores mínimos (não mais do que de 2 a 3 galões por pé quadrado de área de membrana por dia (gfd) e freqüen- temente menos do que 1 gfd).
A invenção investigou uma membrana disponível comercialmen- te que é adaptada para processos osmóticos e o descoberto que o fluxo é muito melhor. Os dados foram tomados com a solução de extração NH3-CO2 na camada ativa da membrana. Foi usada uma alimentação de água deioni- zada para simular as condições do motor de aquecimento osmótico. Foram avaliadas duas temperaturas: 20°C e 40°C, e a alimentação e as soluções de extração foram mantidas e temperaturas idênticas para ambas as séries de testes. Os resultados estão ilustrados na figura 3.
Foram testadas duas temperaturas sobre uma variação de pres- sões osmóticas. Em alguns testes foram obtidos fluxos acima de 50 gfd, su- gerindo que essa membrana específica usada é 50 vezes melhor do que algumas membranas testadas anteriormente, que impacta significativamente na quantidade de membrana necessária para produzir uma determinada quantidade de eletricidade. Os fluxos mais altos produziram exigências me- nores para área de membrana. Deve ser observado que nesses testes o va- por permeado não foi pressurizado (e também não foi pressurizado nas in- vestigações anteriores). A partir desses dados de geração e energia os dados podem ser
estimados pela modelagem do processo em Aspen HYSYS® (disponível de Aspen Technology, Burlington, MA). Usando várias concentrações de solu- ção de extração acima de uma variação de pressurização permeada, a quantidade de geração de energia pode ser calculada pelo uso da seguinte equação:
Trabalho = (Eficiência de turbina) χ (Pressão hidráulica) χ (Fluxo de volume) (1) A eficiência de turbina freqüentemente excede 90% e a força motriz total leva o fluxo através da membrana. Como a energia hidráulica no vapor permeado é aumentado, o fluxo diminui, mas é estabelecido um ponto de geração máximo de energia. A figura 4 ilustra essa característica para uma variação de concentrações de solução de extração e demonstra como várias concentrações de solução de extração desempenham no motor de aquecimento osmótico da invenção acima de uma variação de pressão hi- dráulica de lado permeado. A produção de energia foi modelada usando As- pen HYSYS® (disponível de Aspen Technology, Burlington, MA).
É importante observar que a produção de energia esperada de gradientes de salinidade natural, como, por exemplo, aqueles presentes em interfaces de rui / água do mar, seria muito mais baixa do que essas saídas de energia modeladas. Usando as membranas anteriormente investigadas, a saída de energia por área de membrana em PRO água doce / do mar aberta foi no máximo de 1,4 W/m2. Esses dados demonstram que o motor de aque- cimento osmótico NH3-CO2 da invenção, usando essa membrana osmótica adaptada pode exceder aquela saída em 200 vezes sob determinadas confi- gurações. Uma vez que a área de membrana é também usada como a mé- trica para custo de capital e porque a entrada de calor para o sistema é es- sencialmente livre, a produção de energia mais alta por valores de área de membrana é dotada de um suporte direto no custo total da eletricidade sen- do produzida.
Além disso, as projeções do desempenho do OHE de dióxido de amônia - carbono da invenção foram também baseadas em dados experi- mentais para fluxo de água, os cálculos de eficiência de conversão de ener- gia NE turbina e os sistemas de recuperação de pressão, e modelagem das exigências de energia para a remoção e reciclagem das substâncias dissol- vidas de extração OHE.
As medições do fluxo de água através das membranas semi- permeáveis orientadas na configuração PRO (camada de apoio em direção à alimentação, camada ativa em direção à solução de extração) proporcio- nam dados para estimativas do desempenho do motor. O fluxo de água de membrana foi obtido usando uma célula de membrana de fluxo cruzado e componentes de sistema associados. As dimensões do canal eram de 77 mm de extensão por 26 mm de largura por 3mm de profundidade. Os espa- çadores de entrosamento foram inseridos dentro de ambos os canais para aperfeiçoar o suporte da membrana bem como para promover turbulência e transferir massa. Uma bomba peristáltica de velocidade viável (disponível de Masterflex, de Vernon Hills, IL) com uma cabeça de bomba dupla foi usada para bombear tanto a alimentação quanto as soluções de extração em um Ioop fechado. Um banho de água de temperatura constante (disponível de Neslab de Newington, NH) foi usado para manter as temperaturas tanto da alimentação quanto da solução de extração. A transferência térmica ocorreu dentro do banho de água através de rolos cambiadores térmicos de aço ino- xidável em série que foram submersos no banho agitado. A solução de ex- tração descansou em uma escala (disponível de Denver Instruments de Denver, CO) e as alterações de peso foram medidas várias vezes para de- terminar o fluxo de água permeado. A membrana foi colocada na célula de maneira que a solução de extração estivesse contra a camada ativa e a so- lução de alimentação estava contra a camada de suporte.
A membrana usada para coletar os dados de fluxo foi projetada para transmitir osmose de dessalinização e foi obtida de Hydration Techno- logies, Inc. (Albany, OR). A composição química da membrana é patentea- da, mas acredita-se que contenha polímeros acetato de celulose. A estrutura é assimétrica com uma camada de separação suportada por uma estrutura de suporte relativamente fina (isto é, menor do que em torno de 50 pm. É proporcionado suporte adicional por uma malha de poliéster embutida com a camada de suporte de polímero.
O fluxo de água osmótica foi determinado por uma variação de concentrações de solução de extração. A solução de extração foi feita pela mistura de sal de bicarbonato de amônia (NH4HCO3) com hidróxido de amô- nia (NH4OH), formando uma solução complexa de sais de amônia, compre- endida de bicarbonato de amônio, carbonato de amônia e carbamato de a- mônia, com o último sendo o mais abundante em soluções concentradas. A quantidade de NH4OH adicionada foi variada dependendo da concentração da solução de extração e a temperatura na qual deveria ser usada. A quanti- dade de NH4OH foi minimizada para minimizar a concentração de amina não ionizada na solução de extração. As propriedades das soluções de extração. As propriedades das soluções de extração usadas na modelagem do OHE1 incluindo pressão osmótica, densidade, viscosidade e pH, foram obtidos com Aspen HYSYS® (disponível de Aspen Technology, Burlington, MA), junta- mente com um pacote de propriedade eletrólito de OLI Systems, Inc. (Morris Plains, NJ).
Os dados de fluxo de água de membrana experimental foram usados para calcular os coeficientes de transferência de massa (evidente) ajustada para prognóstico de polarização de concentração externa (ECP) na interface entre a membrana e a solução de extração concentrada para con- duzir fluxo de água de motor. Os efeitos ECP para a solução de extração concentrada em um sistema de membrana OHE são prognosticados com o coeficiente de transferência de massa ajustada e com base na teoria de pe- lícula com efeitos ECP altamente concentrados calculados com base na forma de estrapolação dos dados experimentais. Esse modelo de ajuste e extrapolação é considerado necessário à luz da significância esperada dos efeitos ECP com o sistema de membrana do OHE e a inadequação da teoria de película tradicional para descrever os fenômenos de transferência de massa em fluxos de solução não ideais altamente concentrados. Os fluxos de membrana prognosticados usando a eficiência ajustada foram descober- tas a correlacionarem bem com a observação do desempenho de fluxo de água, dentro da variação dos dados experimentados. As medições de fluxo de água sob condições não pressurizadas
foram presumidas para prognosticar fluxo no sistema OHE pressurizado da invenção, seguindo a equação dominante para PRO sob condições de pres- são osmótica e hidráulica diferentes:
Jw = Α<σΔππ, - ΔΡ) ^
Aqui, A é o coeficiente de permeabilidade da água, cr os coefici-
entes de reflexo, ^7tm a diferença nas pressões osmóticas através da membrana entre a solução de extração e alimentação na interface de sepa- ração (isto é, a superfície de camada ativa da membrana), e^éa diferen- ça de pressão hidráulica entre o lado da solução de extração e o fluido de funcionamento, ^ltm é calculado do volume da pressão osmótica da solução de extração após ser responsável pelos efeitos ECP conforme comentado acima.
Foi presumido que σ = ' em todos os cálculos da rejeição relati- vamente alta da membrana FO usada. Além disso, o coeficiente de permea- bilidade da água A é presumido ser independente da pressão hidráulica apli- cada, implicando na compactação da membrana a ser desprezada. A sele- ção da membrana, as pressões de operação, e a temperatura do sistema inclui a precisão dos prognósticos baseados nesses prognósticos.
A energia produzida pela OHE(W) é uma função da quantidade
de água se movendo através de sua turbina por unidade de tempo (V), a
queda na pressão naquela turbina que é igual à pressão hidráulica aplicada
no lado da solução de extração (ΔΡ) e a eficiência de turbina (E):
W = EVAP (3)
A eficiência de turbina E é tipicamente maior do que 90%. A efi- ciência do cambiador de pressão usado para manter a pressurização de es- tado firme da solução de extração é tipicamente maior do que 95%. A efici- ência combinada desses dois componentes é aproximadamente, no esforço de modelagem aqui descrito, de uma eficiência geral de 90% para projeções de produção d energia, capturada no valor de 0,90 para E na Equação 2 a- cima. O volume fluindo através da turbina por unidade de tempo (V) é igual ao produto do fluxo de água através das membranas do OHE (Jw) e a área de superfície total de membrana. Esse fluxo é uma função tanto das pres- sões hidráulica e osmótica do sistema, conforme ilustrado pela Equação 1 acima. O aumento na pressão hidráulica com relação à pressão osmótica aumenta a entrada de energia por volume de unidade da água através da turbina, mas irá também reduzir o volume total de água pela redução do flu- xo de água da membrana. A redução da pressão hidráulica terá o efeito in- verso.
A eficiência termina é calculada pela medição da quantidade de energia produzida com relação à quantidade de calor usado (para a separa- ção e recuperação da solução de extração). Há duas medidas de eficiência que podem ser consideradas na avaliação de um desempenho de motor: eficiência térmica e eficiência Carnot. A eficiência térmica é simplesmente a proporção de saída de energia do motor sobre a entrada de calor. A eficiên- cia Carnot é uma medida da eficiência de um motor com relação àquela de um motor Carnot, uma que produz a quantidade teórica máxima de trabalho de um determinado fluxo de calor, com base em um processo perfeitamente reversível.
O componente "quantidade de aquecimento" de eficiência de motor pode ser calculado com base na função de aquecimento da coluna de destilação usada para separar a amônia e o dióxido de carbono da solução de extração diluída, produzir uma solução de extração reconcentrada e líqui- do de funcionamento deionizado. A função de aquecimento da coluna foi modelada com Aspen HYSYS® (disponível de Aspen Technology, Burling- ton, MA) juntamente com um pacote de propriedade eletrolítica de OLI Sys- tems, Inc, (Morris Plains, NJ), seguindo os procedimentos usados na estima- tiva de demandas de energia da dessalinização de osmose avançada.
A eficiência de um motor Carnot (η) é proporcionada por
η= l-IL (4)
Th
onde Th é a temperatura absoluta de calor liberado para o motor (de com- bustão de combustível, por exemplo) e Tl é a temperatura absoluta na qual o calor é rejeitado para o ambiente. A medição da eficiência OHE contra a eficiência de um motor Carnot estabelece a eficácia de OHE com relação à quantidade de calor usado pelo menos. Uma usina de energia geotérmica usando 200°C, por exemplo, obtendo uma eficiência térmica de 20%, pela medida de eficiência térmica, não parece ser uma usina muito eficiente. A eficiência Carnot de tal motor, contudo, deve ser 55%, aproximadamente igualmente para a eficiência Carnot da operação de usina de energia de car- vão queimado em 537°C. Esse é um método particularmente útil de compa- ração entre as tecnologias de motor de aquecimento quando considerando fontes térmicas tão baixas quanto 20°C acima das temperaturas ambiente, onde as eficiências térmicas teóricas máximas são bem baixas.
Como a diferença é aumento de pressão osmótica entre duas soluções, o fluxo através da membrana semipermeável separando as duas irá também aumentar. Essa relação não é linear, devido aos efeitos de pola- rização de concentração na superfície da membrana. No modo PRO (solu- ção extraída no lado de camada ativa de membrana) com água deionizada como a alimentação, é esperada a ocorrência apenas de polarização de concentração externa, presumindo uma rejeição muito alta de sais pela membrana. A figura 3 ilustra a relação entre concentração de fluxo de água e solução de extração para a membrana. O desempenho do fluxo de água da membrana foi avaliado u- sando uma solução de extração NH3/C02 não pressurizada com água deio- nizada como vapor de alimentação, com alimentação e soluções de extração isotérmicas. A força motriz é calculada com base no volume de pressão os- mótica da solução de extração. As linhas tracejadas indicavam permeabili- dade hidráulica de água pura determinada dos testes de osmose reversa com a mesma membrana. As diferenças entre essas linhas e dados experi- mentais são devidas à polarização de concentração externa.
Os dados estão ilustrados para 20 e 40°C, com as soluções de alimentação e extração em cada caso isotérmico. O fluxo está ilustrado com relação às pressões osmóticas das soluções de extração. As temperaturas mais altas conduzem aos fluxos de água mais altos devido aos efeitos da temperatura na permeabilidade da membrana à água e a difusibilidade das soluções de extração. Com a membrana FO operada no modo PRO com alimentação de água deionizada, o fluxo de água excede 25 m3/m2-s (ou 50 galões por pé quadrado de membrana por dia, GFD). A relação não linear ilustrada é devido a ECP, provocada pela diluição da solução de extração na superfície da membrana no lado permeado das membranas. Esses dados de fluxo experimentais são usados para calcular a saída de energia da OHE conforme descrito abaixo.
Um critério para aperfeiçoar o OHE é selecionar pressões hi- dráulica e osmótica que produzam a saída de energia mais alta por área de membrana, ou "densidade de energia" de membrana mais alta. A densidade de energia é calculada com base no fluxo de água de membrana, pressão hidráulica de solução de extração, e efeitos ECP antecipados no sistema de membrana OHE. Os efeitos ECP foram calculados usando um coeficiente de transferência de massa ajustada de 1,78 χ 10"5 m/s, determinado através de medições de fluxo experimentais no modo PRO. A eficiência combinada do dispositivo de recuperação de hidroturbina e pressão foi presumida como sendo de 90%. A relação entre as pressões hidráulica e osmótica no OHE, com relação à densidade de energia de membrana está ilustrada na figura 4. * Cada curva corresponde a uma concentração de solução de extração de dióxido de amônia - carbono.
A modelagem indicou que a densidade de energia máxima de membrana é alcançada quando a pressão hidráulica é de aproximadamente 50% da pressão osmótica. Para o OHR com uma pressão hidráulica de 10,13 MPA (100 atm), a densidade de energia proporcionada pelo uso de uma solução de extração de 4,6 M produzindo 19,16 MPa (197 atm) de pressão osmótica é de aproximadamente 170 W/m2. Isso é bem alto confor- me comparado às densidades de energia esperadas das usinas de energia PRO de salinidade rio / água do mar, que são tipicamente abaixo de 4 W/m2 de variação.
A densidade de energia pode ser adicionalmente aumentada pelo aumento da velocidade de fluxo cruzado do vapor da solução de extra- ção (para reduzir os efeitos ECP) ou a pressão hidráulica do sistema de membrana OHE. A modelagem de um OHE com velocidades de fluxo cruza- do significativamente aumentadas (5 m/s em um 0,05 cm de canal de fluxo alto), indica que as densidades de energia OHE será aumentada em aproxi- madamente 61% sobre aquelas de um sistema de membrana com as dinâ- micas de fluido da célula de teste usadas no estudo aqui descrito (0,46 m/s em um 0,3cm de canal alto). Para uma operação OHE em uma pressão hi- dráulica 10.13 MPa (100 atm), a densidade de energia máxima seria em tor- no de 274 W/m2 nesse cenário.
A modelagem de um OHE com uma pressão de operação hi- dráulica de 20,26 MPa (200 atm) indica as densidades de energia que seri- am aumentadas por um adicional de 47% sobre aquelas de um sistema 10,13 MPa (100 atm). Contudo, a velocidade de fluxo cruzado aumentada, resultaria em consumo adicional de energia, e a pressão hidráulica aumen- tada iria requerer componentes de processo mais dispendiosos. Essas con- dições de operação serão necessariamente fatores no aperfeiçoamento do processo, equilibrado contra os fatores de correlação do processo de con- sumo de energia de bomba fluida e custos de capital e substituições de e- quipamento. A eficiência Camot do OHE foi modelada sobre uma variação de pressões osmótica e hidráulica. No cálculo da eficiência térmica de motor, as funções de aquecimento e elétrica da separação da solução de extração e o processo de reciclagem são comparados à produção elétrica da turbina de geração de energia OHE para a combinação de pressões osmótica e hidráu- lica examinadas. Devido à insignificância da energia elétrica necessária para a separação substância dissolvida de extração e reciclagem, a eficiência térmica é praticamente o índice entre a energia elétrica produzida pelo OHE e a energia térmica requerida para a separação de substância dissolvida de extração. Essa eficiência é comparada à eficiência teórica de um motor Car- not funcionando com os mesmos vapores de aquecimento de temperatura alta e baixa, fornecendo ma medida "percentual de eficiência Carnot" do de- sempenho OHE.
Para determinar a função térmica e elétrica do processo de re- moção e reciclagem da substância dissolvida de extração, é especificada uma solução de concentração suficiente para produzir a pressão osmótica desejada em um modelo de simulação química HYSYS®. Esse vapor de solução é direcionado a uma coluna de destilação com características apro- priadas para a remoção. Um exemplo de tal modelo especifica uma coluna de destilação simples, efetuando a separação das substâncias dissolvidas
o
de extração de um vapor de solução de extração 6 M (com base CO ) que gera 31,94 MPa (315,26 atm) de pressão osmótica no sistema de membrana OHE, contendo embalagem estruturada 2,35 m (7,7 pés) de altura (30 está- gios teóricos) supridos com aquecimento em 50°C. Uma coluna desse tipo opera em uma pressão e temperatura inferior de 10,62 kPa (0,1048 atm) e 46,96°C (fornecidos um 3°C ΔΤ no cambiador térmico de reaquecimento) em uma pressão e temperatura superior de 10,54 kPa (0,1040 atm) e 35,55°C. O vapor alimentado para a parte superior da coluna é preaquecido a 32°C com uma exigência de energia de 3196,8 MJ/m3 (por m3 de funcio- namento de fluido produzido). A função térmica da coluna é 3454,6 MJ/m3, supridos para o reaquecedor. O aquecimento suplementar requerido para manter todos os vapores em temperaturas especificas é 385,7 MJ/m3, para uma função térmica total de 7037,1 MJ/m3. A função elétrica do bombea- mento de fluido no processo de separação é relativamente insignificante (0,48 MJ/m3). Um sumário das funções térmica e elétrica requeridas para a separação da substância dissolvida de extração em concentrações típicas usadas nas simulações está proporcionado na Tabela 1. Essa tabela tam- bém proporciona algumas das propriedades da solução de extração que são
relevantes para o desempenho de modelagem o HE. Concentração de Substância dissolvi- da de Extração (M) Pressão osmótica (atm) Proporção nh3/co2 Função Térmica (MJ/m3) Função Elétrica (MJ/m3) 1 43,7 1,1 358,0 0,12 2 84,4 1,2 593,4 0,13 3 120,1 1,2 865,7 0,16 4 157,8 1,3 1319,0 0,19 229,6 1,6 2847,7 0,26 6 319,7 1,8 7073,1 0,48
A eficiência total do Carnot do OHE foi calculada com base na
modelagem conforme descrita acima, sobre uma variação de temperaturas térmicas supridas. Sobre uma variedade de temperaturas das eficiências foram marcadamente consistentes. Na figura 5, estão ilustradas as eficiên- cias Carnot para as operações OHEs com aquecimento de 50°C, sobre uma variação de pressões osmótica e hidráulica no sistema de membrana OHE. Para cada combinação de pressões, as temperaturas foram mantidas cons- tantes, com uma temperatura alta, ou temperatura de energia suprida de 50°C e uma temperatura baixa, ou temperatura de dos arredores do ambien- te de 25°C.
A figura 5 representa a eficiência de motor como uma porcenta- gem de eficiência de motor Carnot, com relação á diferença entre as pres- sões hidráulica e osmótica da solução de extração. Para uma temperatura alta de 50°C e uma temperatura baixa de 35°C, o percentual de eficiência de motor teórica máxima (Carnot) alcança um Máximo de aproximadamente 16% à medida que a força motriz (^7t ™ ^P) se aproxima de zero. A pres- são osmótica é baseada no volume de pressão osmótica de uma solu- ção de extração.
Os resultados indicam que a eficiência de motor mais alta é obti- da quando a diferença entre as pressões osmótica e hidráulica se aproxi- mam de zero. Fornecendo pressão osmótica e hidráulica igual em equilíbrio em uma condição de fluxo zero, os aumentos na pressão osmótica irão au- mentar o fluxo de água de membrana, aumentando, por meio disso, a quan- tidade de energia produzida pela turbina OHE. Os aumentos na pressão os- mótica são alcançados pelo aumento da concentração de solução de extra- ção. As soluções de concentração mais alta requerem mais energia para a remoção e reciclagem de substância dissolvida na forma de suprimento tér- mico. Portanto, à medida que a pressão osmótica é aumentada, a produção de energia, o fluxo de água de membrana, e função térmica requerida pelo sistema de reciclagem de substância dissolvida todas aumentam simultane- amente.
A coluna de destilação usada para o sistema de reciclagem de substância dissolvida é, portanto, ineficiente para sua remoção de NH3 e CO2 da solução de extração diluída. É também removido algum vapor de água, requerendo calor que pode não ser convertido para produção de ener- gia. À medida que aumenta a concentração da solução de extração, também aumenta a quantidade de vapor de água criada na coluna de destilação, e essa ineficiência inerente de separação resulta na diminuição da eficiência OHE total. Esse aumento na pressão osmótica, contudo, não resulta na di- minuição de fluxo de água, que beneficia a operação OHE através da densi- dade de energia de membrana aumentada. As densidades de energia de membrana mais alta requer área de membrana menor para uma determina- da capacidade de energia e, portanto, menor custo de membrana. Isso re- presenta uma situação onde há conflito de escolha entre custo capital de membrana e a eficiência do motor, que deve ser aprimorada no projeto de um sistema OHE.
Conforme observado do comentário acima, apesar da eficiência total do motor ser razoavelmente baixa, a abordagem de um máximo de efi- ciência Camot de 16%, e provável funcionamento em uma eficiência de 5 a 10%, a saída de energia por área de membrana pode ser bem alta, mais de 159 W/m2 de área de membrana. Se o OHE usar fontes de energia térmicas na variação de 40 a 100 0C1 o custo da entrada de energia para o motor po- de ser insignificante. Uma consideração importante são os custos de capital e trabalho do processo e seus impactos no custo da eletricidade produzida.
O uso de motor de aquecimento osmótico de dióxido de amônia - carbono da invenção permite a produção de energia de fontes de energia diversas como, por exemplo, calor de vapores de rejeito de usinas de ener- gia existentes, de outro modo fontes de calor geotérmicas e temperatura baixa improdutiva, energia térmica solar de baixa concentração, aquecimen- to de biomassa (não-combustível) e conversão de energia térmica do ocea- no, dentre outras. Em todos esses casos o processo da invenção produz energia que é renovável e livre de carbono. Ao mesmo tempo em que a invenção foi descrita acima com re-
lação às modalidades específicas da mesma, é claro que podem ser feitas muitas alterações, modificações e variações sem se afastar do conceito in- ventivo aqui descrito. Portanto, é intencionado abarcar todas essas altera- ções, modificações, e variações que incidam no espírito e escopo amplo das reivindicações em anexo. Todos os pedidos de patente, patentes, e outras publicações aqui citadas estão inteiramente incorporadas ao presente à gui- sa de referência.

Claims (16)

1. Método de geração de energia usando um motor de aqueci- mento osmótico de dióxido de carbono-amônia, compreendendo as etapas de: a) pressurizar uma solução de extração concentrada para uma pressão hidráulica mais baixa do que sua pressão osmótica em um primeiro lado de uma membrana semipermeável, onde a solução de extração con- centrada compreende amônia e dióxido de carbono; b) introduzir um fluido de funcionamento diluído em um lado o- posto da membrana semipermeável, onde o fluido de funcionamento diluído compreende água quase deionizada; c) levar uma parte do fluido de funcionamento diluído a fluir atra- vés da membrana semipermeável na solução de extração pressurizada para criar um fluxo de água que expanda o volume da solução de extração; d) induzir o fluxo do volume expandido da solução de extração através de uma turbina para produzir energia; e e) processar o volume expandido da solução de extração atra- vés de uma coluna de destilação em uma temperatura adequada e pressio- nar para separar as substâncias dissolvidas da solução de extração, produ- zindo, por meio disso, nova solução de extração e cursos de fluido de fun- cionamento para reuso no sistema.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde a solução de extração concentrada é dotada de uma proporção de amônia para dióxido de carbono entre em torno de 1:1 a 2,5:1.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde a solução de extração é dotada de uma concentração entre 0,1 e 12 molar.
4. Método, de acordo com a reivindicação 3, onde a solução de extração é dotada de uma concentração entre em torno de 3 a em torno de 6 molar.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde a água quase deionizada compreende menos do que 1 ppm de amônia e dióxido de car- bono e nenhuma outra substância dissolvida.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde a novo curso de fluido de funcionamento produzido no processo de separação contém menos do que 1 ppm de amônia e dióxido de carbono e nenhuma outra substância dissolvida.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde a membrana semipermeável compreende uma camada ativa orientada em direção à solu- ção de extração e uma camada de recuo orientada em direção à solução de alimentação.
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, onde o fluxo de á- gua é pelo menos em torno de 25 m3/m2-s.
9. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde a solução de extração é formulada pela mistura de sal bicarbonato de amônio com hidró- xido de amônio para formar uma solução complexa de sais de amônio com- preendendo bicarbonato de amônio, carbonato de amônio e carbamato de amônio.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, onde a quantidade de hidróxido de amônio adicionada é minimizada para minimizar a concen- tração de amônia unificada na solução de extração.
11. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde a pressão do lado da solução de extração da membrana é mantida em estado firme usan- do um cambiador de pressão e a eficiência do cambiador de pressão é pelo menos em torno de 95%.
12. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde o calor é in- troduzido em uma temperatura entre em torno de 35° e 250°C.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, onde o calor é uma fonte de calor de grau baixo selecionada do grupo consistindo de calor não utilizado proveniente da fabricação de metal, fabricação de vidro, refino de óleo e processos de geração de energia termoelétrica, fontes de calor geotérmicas, e conversão de energia térmica de oceano.
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, onde a tempera- tura requerida para separar as substâncias dissolvidas de extração da solu- ção é proporcional à pressão e a pressão é introduzida em torno de 0,05 a em torno de 10 atm.
15. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde a saída de energia por área de membrana é pelo menos em torno de 150 W/m .
16. Método, de acordo com a reivindicação 15, onde a saída de energia por área de membrana é pelo menos em torno de 250 W/m2.
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