DD293800A5

DD293800A5 - Verfahren und vorrichtung zur meerwasserentsalzung und zur gewinnung von energie und der im meerwasser enthaltenen rohstoffe

Info

Publication number: DD293800A5
Application number: DD90339850A
Authority: DD
Inventors: Grigori I Berleyev
Original assignee: ��@��k��
Priority date: 1989-04-19
Filing date: 1990-04-18
Publication date: 1991-09-12
Also published as: CA2053263A1; CN1056669A; US5124012A; EP0468981A1; IL94116A0; WO1990012758A1; DE3912793A1; YU78090A; JPH04504674A; NZ233383A; AU5407490A; OA10037A; PT93805A; FI914891A0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zu Meerwasserentsalzung und zur Gewinnung von Energie und der im Meerwasser enthaltenen Rohstoffe. Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Prinzip, die im Meerwasser enthaltenen Ionen mit Hilfe eines elektrostatischen Feldes in zwei getrennte Loesungen mit jeweils gleichnamigen Ionen zu separieren und einem Konduktor zuzuleiten, an dem sie neutralisiert werden. Die neutralisierten Atome werden dann zur Gewinnung von Wasserstoff, Alkalilaugen, Erdalkalilaugen, Erdalkalimetallen und Halogenen chemisch weiterbehandelt. Fig. 2{Meerwasserentsalzung; Energiegewinnung; Rohstoffgewinnung; Ionentrennung im elektrischen Feld; Konduktor zur Neutralisation und Rohstoffgewinnung}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Meerwasserentsalzung und zur Gewinnung von Energie und der im Meerwasser enthaltenen Rohstoffe.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Nach dem Stand der Technik sind im wesentlichen drei grundlegende Methoden zur Meerwasserentsalzung bekannt

1. die Gewinnung des Wassers durch Änderung seines Aggregatzustandes, also durch Verdampfen oder Kristallisation,

2. Entsalzung durch elektrolytische Verfahren und

3. die umgekehrte Osmose.

Die z. B. bei der Verdampfung und Destillation von Wasser aufzuwendende Energie beträgt ca. 25 bis 50 kWh/m³ Wasser, ist also mit einem hohen Energieaufwand verbunden, wobei die aufzubringende Wärme zumindest weitgehend verlorengeht. Darüber hinaus haben Destillieranlagen den Nachteil, daß sie einer erheblichen Korrosionsgefahr ausgesetzt sind, die einen Austausch der mit dem Meerwasser in Berührung kommenden Teile nach 1 Vz bis 2 Jahren erforderlich macht. Die Produktivität dieser Destillieranlagen ist auf maximal 1000m³ pro Tag beschränkt.

Der Prozeß des Einfrierens basiert auf der Bildung und dem Wachstum einzelner Kristalle, an die sich nur chemisch gleichartige Stoffe kristallisierend anlagern, während Fremdpartikel keinen Platz im Gitter finden. Die Bildung zwischenkristalliner Zonen, in die auch Fremdpartikel eingelagert werden können, vollzieht sich bei wäßrigen Lösungen, wenn ungefähr 50% der Salzlösung in den festen Zustand übergegangen sind. Die zum Einfrieren in der beschriebenen Weise notwendigen Kühlaggregate arbeiten ebenfalls mit einer geringeren Effizienz, sind jedoch verfahrenstechnisch sehr aufwendig. Im Ergebnis sind jedenfalls die beschriebenen Varianten relativ kostspielig.

Bei der Elektrodialyse werden die Ionen direkt aus der Salzlösung extrahiert, wobei die Ionen ihre Ladung an den Elektroden abgeben und sich die hierbei gebildeten Metallatome an der Kathode abscheiden. Dieses Verfahren ist im Prinzip nur bei schwachen Salzlösungen anwendbar, nicht jedoch bei der Entsalzung von Meerwasser, indem die Konzentration der fluktuierenden Ionen bei 105 Coulomb pro Liter Lösung liegt. Versuche, die Zahl der zu extrahierenden Ionen durch Einsatz von lonenfiltern zu erniedrigen, sind daher ungeeignet, da diese Filter nach kurzer Zeit infolge der dort abgelagerten Ionen unbrauchbar werden. Auch bei elektrolytischen Verfahren tritt das Problem der Korrosion verstärkt in den Vordergrund. Auch die sogenannte umgekehrte Osmose konnte sich technisch noch nicht durchsetzen, da die in den größten Versuchsanlagen gewonnene Wassermenge 1000 Liter pro Tag kaum übersteigt. Die Salzlösung wird bei der umgekehrten Osmose durch Zelluloseacetatmembranen gepreßt, wobei Drücke in der Größenordnung von 50bar, zum Teil auch bis 100bar angewendet werden. Die mechanische Beanspruchung der Membranen ist dementsprechend groß. Ein Nachteil dieser Entsalzungsmethode ist, daß die Membranen nach längerem Gebrauch durch verschiedene Ursachen, z. B. Bakterienbefall, unbrauchbar werden. Die umgekehrte Osmose hat zwar gegenüber den zuvorstehenden Methoden den Vorteil, daß nur niedrige Energiemengen aufgewendet werden, jedoch kann diese die Nachteile der geringen Produktivität sowie der Gefahr der Membranbeschädigung nicht aufwiegen.

Darüber hinaus sind die Probleme der zukünftigen Energieversorgung keineswegs als gelöst zu betrachten. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht Kohlendioxid, dessen prozentuale Erhöhung in der Atmosphäre ernsthaft klimatische Konsequenzen befürchten läßt. Die Energiegewinnung durch Kernspaltung schaffte Probleme der Beseitigung der radioaktiven Abfälle. Die Energiegewinnung aus der Sonnenenergie oder in Windkraftwerken hat zwar den Vorteil, abfallfrei zu sein, ist jedoch als wirtschaftlich fehlgeschlagen zu betrachten.

Somit besteht nach wie vor ein dringendes Bedürfnis an der Schaffung neuer Energiequellen, die sich wirtschaftlich und ohne Umweltbelastung nutzen lassen.

Ziel der Erfindung

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens werden neue Energiequellen erschlossen und eine wirtschaftliche, ohne Umweltbelastung arbeitende Vorrichtung zur Meerwasserentsalzung geschaffen.

-4- 293 800 Darlegung des Wosons der Erfindung

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Energiequellen zu erschließen, gleichzeitig ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Meerwasserentsalzung zu schaffen, das bzw. die wirtschaftlich ohne Umweltbelastung arbeiten.

Zum einen wird diese Aufgabe durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst. Die Grundidee dieses Verfahrens geht in Abweichung von dem bisherigen Stand der Technik davon aus, daß die im Meerwasser dissoziierten Ionen ohne wesentlichen energetischen Aufwand aus dem Wasser extrahiert werden und ihre Energie selbst wie auch deren Rohstoffgehalte nutzbar gemacht werden. Die hierzu erforderliche Energie kann auf die Menge reduziert werden, die zum Hochpumpen des Wassers erforderlich ist; um einen Kubikmeter Wasser einen Meter hochzupumpen, werden lediglich 0,003kWh benötigt, die übrige Energiemengezur Aufrechterhaltung des elektrostatischen Feldes ist um Viooo niedriger und k?nn demgegenüber vernachlässigt werden. Demgegenüber wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Energie von 55kWh freigesetzt, die im Salzwasser bei angenommenen 35kg Salz/m³ gebunden ist. Unterder Annahme von3 x 10²⁶ Paaren von Ionen, d.h. 6 x 10²⁶ Ionen/m³ beträgt die Ladung etwa 10⁸ Coulomb, was einem Energiegehalt durch Coulombsche Kräfte von 2,6 x 10~²' Joule entspricht. Die kinetische Energis der Ionen ist hingegen mit 5,8 χ 10~²¹ Joule nahezu dreimal so groß, so daß unter Ausnutzung der hohen Beweglichkeit der Ionen eine loncntrennung ohne Neutralisation durchführbar ist. Die erwähnten 55kWh ergeben sich aus einer Molekülenergie von 7 x 10~¹⁹ Joule pro Paar, multipliziert mit der Anzahl der Paare (3 x 10^2e), d.h. zu 2,1 χ 10⁸Joule = 55 kWh.

Da das erfindungsgemäße Verfahren (sowie die später behandelte Vorrichtung) auch quantitativ große Mengen Meerwasser entsalzen läßt, ist die Bereitstellung von 1 bis 5 Millionen Kubikmeter deionisiertem Wasser pro Tag ohne weiteres möglich, etwaige Korrosionsgefährdungen können durch Verwendung von Kunststoffen als Auskleidung der Rohrleitungen vermieden werden.

Dazu ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren neben der Meerwasserentsalzung und der Energiegewinnung die Extraktion von den im Meerwasser gebundenen Rohstoffen, im wesentlichen Alkali- und Erdalkalimetalle, Wasserstoff und Chlorgas. Nach dem grundlegenden Gedanken der Erfindung werden die ungleichnamigen Ionen unter Ausnutzung ihrer gegenüber den Coulombschen Anziehungskräften höheren kinetischen Energie in einem elektrostatischen Feld getrennt, jedoch durch die starke Sogwirkung des abfließenden Wassers aus dem elektrostatischen Feld abgeführt, ohne neutralisiert zu werden. Die jeweiligen nur gleichnamige Ionen enthaltenden Wasserströme werden anschließend an Konduktoren vorbeigeführt, wo sie entladen werden. Die hierbei entnehmbare Ladung kann als Gleichstrom unmittelbar abgeführt werden, wobei der Gleichstrom den Vorteil hat, daß der Spannungsverlust auch beim Transport über extrem lange Leitungen erheblich niedriger ist als vergleichsweise beim Wechselstromtransport.

Anstelle des in Patentanspruch 1 beschriebenen elektrostatischen Feldes in der ersten Stufe kann in einer Alternativen auch mit einer rtechteckspannung gearbeitet werden, die an die Elektroden (Kondensatorplatten) angelegt wird. Die angelegten Spannungen betragen 20OkV bis 500 kV im Falle der Gleichspannung oder im Falle der Rechteckspannung zwischen 5 und 2OkV, vorzugsweise zwischen 7kV und 1OkV, bei einer Frequenz zwischen 10Hz und 2 kHz. In einem Laborexperiment ist mit Frequenzen zwischen 10 bis 30Hz gearbeitet worden, zur Erzielung einer höheren SVomgewinnung bzw. Ausgangsleistung werden jedoch 1 kHz bis 2 kHz vorgeschlagen.

Um zu verhindern, daß sich Ionen bei relativ kleinen Fließgeschwindigkeiten im Bereich der Elektroden stauen, die vorzugsweise mit einem Isolierstoff ausgekleidet sind, damit an den Elektroden keine Entladung stattfindet, wird nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, die konstante Gleichspannung kurzzeitig, d.h. mit Impulsen <20μββο durch etwa gleichgroße entgegengesetzte Spannungen zu unterbrechen. Während dieser Kurzzeitimpulse werden die ggf. angstauten Ionen abgestoßen und vom entsprechenden Teilstromfluß mitgerissen, ohne daß die durch das elektrostatische Gleichfeld ausgeübte Trennwirkung merklich gestört bzw. behindert wird.

Solche Abstoßungsimpulse sind auch bei Verwendung einer Rechteckspannung denkbar, wobei die Kurzzeitspannungsimpulse maximal 20nsec oder bis maximal V20 der Rechteckspannungsdachlänge (Dauer des positiven Spannungsimpulses) betragen. In der ersten oder nur einer einzigen Stufe, in der die Ionen mittels Elektroden getrennt werden, ist selbstverständlich nur eine partielle Trennung der im Meerwasser vorhandenen Ionen möglich, die mindestens etwa 20% auf die eingesetzte Meerwassermenge beträgt. Der lonentrenngrad hängt im wesentlichen davon ab, welche Spannungen angelegt werden und mit welchen Fließgeschwindigkeiten das Meerwasser durch die Elektroden hindurchgeführt wird. Gegebenenfalls kann das Meerwasser auch mehrfach rezyklisierend durch ein und dieselbe bzw. die eine Trennstufe rezyklisierend geführt werden. Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf eine Verfahrensführung, bei der nach der ersten Trennstufe noch weitere Trennstufen nachgeschaltet sind.

Um einen die Fließgeschwindigkeit der abgeführten lonenströme hindernden Ladungsstau in der Abführzone der ersten Stufe zu verhindern, werden die betreffenden Wasser/Ionen-Ströme in geerdeten Leitungen geführt. Die bereits deionisierte Wassermenge der ersten Stufe kann getrennt hiervon abgezogen werden und beträgt ca. 20% bezogen auf die eingesetzte Wassermenge.

Nach einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die lonenströme auf einem ungeerdeten Leitungsteilstück in einem solchen Abstand parallel zueinander geführt, daß die Coulombschen Anziehungskräfte wirksam werden mit der Folge, daß sich die ungleichnamigen Ionen jeweils in den sich gegenüberliegenden Randzonen der Leitungen weiter konzentrieren, wobei gleichzeitig die ferner abliegenden Strömungsschichten deionisiert werden, so daß durch eine entsprechende Leitungsgabelung das deionisierte Wasser einerseits und die mit starker lonenkonzentration versetzten kleineren Wassermengen andererseits jeweils getrennt transportiert werden. Vorzugsweise wird die Leitungsführung in dieser zweiten Stufe so gewählt, daß 95 bis 97% deionisiertes Wasser abgeführt werden können, so daß nach der zweiten Stufe nur ca. 2,4 bis 4% der ursprünglichen Wassermenge mit starker lonenkonzentration zu den Konduktoren geführt werden. Vorzugsweise wird in der ersten Stufe ein möglichst großes elektrostatisches Feld aufgebaut, was dutch Anlegen einer Spannung zwischen 200 und 50OkV an die Elektroden bewerkstelligt wird. Die bevorzugte Fließgeschwindigkeit der jeweils getrennten lonenströme liegt zwischen 3 bis 7m/sec. Wie bereits weiter oben angesprochen, kann der Meerwasserfluß bzw. Fluß der wäßrigen lonenlösung dadurch aufrechterhalten werden, daß das Meerwasser vor der ersten Stufe in einen

Vorratsbehälter ζ. B. einer Höhe von 8 bis 10 Meter, gepumpt und der Wasser- bzw. lonenf luß allein durch Verbrauch der zuvor gewonnenen potentiellen Energie aufrechterhalten wird. Mit anderon Worten, es werden nach dem Hochpumpen des Wassers lediglich die Gravitationskräfte zur Aufrechterhaltung des Flusses ausgenutzt. Hierbei hot os sich als verfahrenstechnisch nützlich erwiesen, wenn das Meerwasser in der ersten Stufe von unten in einen mit im wesentlichen vertikalen flächenartigen Elektroden ausgestatteten Raum eingeleitet wird, wobei die Ionen durch das zwischen den Elektroden herrschende elektrostatische Feld jeweils in Richtung der Elektroden abgelenkt werden. Bevor die Ionen die Elekti öden erreichen, werden sie jedoch durch den in die abführenden Leitungen gerichteten Strömungsfluß abgesogen, wodurch die beschriebene lonentrennung in zwei Ströme mit jeweils gleichnamigen Ionen (positiv oder negativ) erreicht wird. Das bereits deionisierte Wasser wird vorzugsweise oberhalb der Elektroden abgeführt. Um sicherzugehen, daß die Ionen die Elektroden nicht erreichen und dort neutralisiert werden, sind die Elektroden der ersten Stufe mit einem Dielektrikum überzogen. Während es in der ersten Stufe darauf ankommt, die Fließgeschwindigkeit möglichst in Abstimmung des elektrostatischen Feldes relativ hoch zu wählen, wird vorzugsweise in der zweiten Stufe zur Vermeidung einer dortigen langen Leitungsführung die Fließgeschwindigkeit der Ionen durch Leitungsquerschnitt verlangsamt, etwa auf 40 bis 60% der vorherigen Geschwindigkeit. Hierdurch können sich die Coulombschen Kräfte zwischen den ungleichnamigen Ionen, die in jeweils getrennten Leitungen geführt werden, besonders wirksam auswirken, wobei die Abstoßungskraft der gleichnamigen Ladungen untereinander durch die gesamte Coulombkraft der Summe aller Ladungsträger überwunden wird. Um eine Störung des Verfahrens durch Feststoffe, organische Lebewesen, Pflanzen, Kolloide etc. zu verhindern, wird das Meerwasser vor Einleitung in die erste Stufe mechanisch gefiltert.

Nach Ladungsabgabe an den Konduktor werden die neutralen Metalle, die sich in hochkonzentrierter Form in wäßriger Lösung befinden, in ein Reaktionsgefäß geleitet, wo (flüchtiger) Wasserstoff, Metalle (im wesentlichen Alkali- und Erdalkalimetalle) sowie Chlorgas gewonnen werden. Der Wasserstoff entsteht nach folgenden chemischen Gleichungen:

2Na + 2H₂O->2Na(OH) + H₂

2K + 2H₂O -> 2K(OH) + H₂

Mg + 2H₂O-^Mg(OH)₂ + H₂

Ca + 2H₂O -> Ca(OH)₂ +H₂.

Unter der Annahme, daß die häufigsten Elemente im Meerwasser etwa in der nachstehend angegebenen Menge vorkommen, können hierdurch pro Kubikmeter Meerwasser ä 470MoI H₂ gewonnen werden.

Na*	38,5%	3,5x10²⁶
K*	0,82%	4,4X10²⁴
Mg**	8,95%	7,7X10²⁶
Ca**	1,73%	9,0x10²⁴

Die obenstehenden chemischen Reaktionen laufen exotherm ab, so daß die dabei entstehende Wärme abgeführt werden muß und nutzbar gemacht werden kann. Etwa in dem auffangbaren molekularen Wasserstoff enthaltene gasförmige Wasserpartikel werden durch Kondensation abgetrennt, um reinen Wasserstoff zu erhalten.

Die in Lösung verliehenen Laugen haben ein unterschiedliches spezifisches Gewicht, was ihre Trennung in verschiedene Fraktionen ermöglicht. Natron- und Kalilauge (NaOH und KOH) sind unmittelbar industriell verwertbar. Magnesiumhydroxid und Calziumhydroxid können unabhängig voneinanderzurTrennung von Magnesium bzw. Calzium weiterverarbeitet werden, was durch Erhitzung der betreffenden Laugen zu Metalloxiden (MgO bzw. CaO) und anschließendem Wasserstoffüberfluß nach den Gleichungen

MgO + H₂-> Mg+ H₂O CaO + H₂->Ca + H₂O

geschieht. Die Trennung von Magnesium und Calzium kann vorzugsweise unter Ausnutzung der verschiedenen Schmelzpunkte durchgeführt werden. Der Schmelzpunkt von Magnesium liegt bei 651⁰C, während der des Calziums bei 881⁰C liegt. Bei einer Temperatur von ca. 700⁰C schmilzt das in der Mischung enthaltene Magnesium und kann in flüssiger Form abgeführt werden, entsprechend wird das Calzium durch Erwärmung auf 900⁰C geschmolzen und ebenfalls in einen fließfähigen Zustand gebracht.

Ein weiteres nutzbares Element ist das in gi.ilen Mengen im Meerwasser enthaltene Chlor. Dieses kann nach der Neutralisation in der Konduktor-Stufe zunächst in gelöster Form in einen Reaktionsbehälter überführt werden, in welchem es allmählich unter Bildung von Wasser und Chlorgas ausreagiert. Das flüchtige Chlorgas kann aufgefangen und zur etwaigen Reinigung von verdampftem Wasser einem Kühler zugeleitet werden. Das gereinigte Chlorgas wird vorzugsweise in einem Kondensor bis auf -50⁰C gekühlt und komprimiert.

Pro Kubikmeter Wasser können so ca. 224 Mol Chlorgas, 24kg Alkalimetalle, 3kg Magnesium und 0.6kg Calzium gewonnen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit in einer großtechnischen Anlage, wie auf motorgetriebenen Schiffen, anwendbar, die sowohl die dielektrische Energie als uuch den produzierten Wasserstoff als Energiespeicher und -lieferant nutzen können. Hierbei hat die Verwendung von Wasserstoff, dessen Energie fast dreimal so hoch wie die der Kohlenwasserstoffe ist. den Vorteil, das die Verbrennung giftstofffrei abläuft.

Die Aufgabe wird ferner durch die in Patentanspruch 22 gekennzeichnete Vorrichtung gelöst. Weiterentwicklungen sind in den Ansprüchen 23 bis 32 beschrieben. Wesentliche Teile dieser Vorrichtung sind die bereits oben bezeichnete >3rsle Stufe, in der in einem elektrostatischen Feld ungleichnamige Ionen voneinander getrennt werden. Dieses Feld wird durch ein flächenartiges Elektrodenpaar, auf das Spannungen zwischen 200 und 50OkV gegeben weiden, gebildet, wobei die Elektroden vorzugsweise gleichzeitig als zwei der vier Wandungen eines prismenförmigen Behälters dienen. Die Meerwassereinleitung wird durch eine Abflußieitung aus einem vorzugsweise 8 bis 10m hohen Vorratstank vorgenommen, wobei das bereits deionisierte Wasser

(etwa 20%) oberhalb der Elektroden und die Wasserströmo mit ungleichnamigen Ionen unterhalb der Elektroden in Abflußkanälo bzw. -leitungen abführbar sind. Diese Abflußkanäle führen zu Konduktoren, in donon die Ladungsentnahmo erfolgt, bevor in einer Trennvorrichtung Wasserstoff, Alkalilaugen, Erdalkalimetalle und Chlorgas gowonnon wordon.

Vorzugsweise sind die boiden Abflußkanäle geerdet, wobei nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Erdung der Abflußkanäle auf einem Teilstück unterbrochen ist und die Abflußkanäle in diesem Bereich auf einen Abstand zwischen 2,5 und 3 m parallel zueinander geführt werden. In diesem Bere'ch zweigt auch jeweils eine weitere Abführleitung für deionisiortes Wasser ab, während die Abflußkanäle zur weiteren Führung der noch stärker konzentrierten Ionen in wäßrigor Lösung einen erheblich kleineren Radius haben. So besitzen die Abflußkanälo vor dem Teilstück oinen Durchmesser von 8 bis 12cm, in dem Teilstück einen aufgeweiteten Durchnru sser, vorzugsweise auf den 1,3- bis 2fachon Querschnitt und hintor der abgezweigten Abführlöitung einen demgegenüber nur^Ί bis 5% großen Querschnitt. Der Abstand der Abflußkanäle vor und hinter dem besagten Teilstück, in dem die weitere lonenkonzentration erfolgt (zweite Trennstufe), beträgt mindestens 3m. Zur Vermeidung von Korrosion sind der Vorratstank, der zweite Behälter, die Elektroden, die Abflußkanäle und/oder die übrigen Abfluß- bzw. Zulaufrohre innon mit Kunststoff, vorzugsweise PVC, ausgokleidet.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausbildung sind die Elektroden im unteren Bereich dos zweiten Behälters (Abflußbereich) nach außen abgebogen.

Der Vorratstank besitzt mehrere Filter und/oder Schlammablagerungsbecken, so daß das in den Vorratsbehälter gepumpte Wasser vor seiner Weiterleitung in den zweiten Behälter (elektrostatisches Feld) mehrere schlangenförmig angeordnete Kammern bzw. Filtersiebe durchläuft.

Die Trennvorrichtung zur Gewinnung der im Meerwasser enthaltenen chemischen Substanzen besteht aus mehreren jeweils einzeln nach dem Stand der Technik im Prinzip bekannten Reaktionsbehältern, Abscheidebehältern und Auffangbehällern.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen

Fig. 1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anlage und

Fig. 2: eine perspektivische Ansicht dieser Anlage zur Meerwasserentsalzung und Energiegewinnung in großtechnischem Maßstab.

Das Meerwasser 10 wird mittels einer oder meherer Pumpen 11 über eine unterhalb des Meeresspiegels 12 endende Zuleitung 13 in einen Vorratstank 14 gefördert. Um Festkörper, Plankton, Algen sowie Kolloide etc. von vornherein zu separieren, ist am Ende der Zuleitung ein Filter 15 vorgesehen. Der Vorratstank 14 ist etwa 8 bis 10m hoch und besitzt ein Fassungsvermögen, das ausreicht, um eine Wasserzufuhr in die nachfolgenden Anlagenteile auch in dem Fall zu ermöglichen, wenn eine Pumpe 11 ausfällt oder ein Filter 15 kurzzeitig gereinigt werden muß. Die Pumpe 11 ist auch das einzige Anlagenteil, das Energie benötigt, nach dem Hochpumpen des Wassers wird der weitere Strömungsfluß allein durch Gravitationskräfte aufrechterhalten. Vom Vorratstank 14 führt mindestens eine mit einem Regelventil 18 ausgestattete Abflußleitung 16 zu einem zweiten Behälter 17. Die Abflußleitung 16 mündet in diesen Behälter 17 in dessen im wesentlichen rechteckigen bzw. quadratischen Bodenbereich. Der Behälter 17 ist im übrigen im wesentlichen prismatisch aufgebaut, wobei zwei der vier Wände als Elektroden 19,20 ausgebildet sind, die mit entsprechenden Steuer- und Versorgungseinrichtungen verbunden sind. Im Bereich des Prismendaches befindet sich eine Abflußleitung ? I zur Ableitung deionisierten Wassers. Unterhalb der Elektroden, deren unteres Ende nach außen abgebogen ist, befinden sich zwei Abflußkanäle 22,23, deren Durchmesser jeweils 10cm beträgt. Diese Abflußkanäle 22,23 sind geerdet und führen zu einer weiteren zweiten lonentrennstufe 24, in der die Erdung der Abflußkanäle aufgehoben ist und die Abflußkanäle von einem Abstand von 3m auf einen Abstand von 0,5m zueinander geführt werden. In dieser zweiten lonentrennstufe ist der Abflußkanaldurchmesser erweitert, um eine geringere Fließgeschwindigkeit zu erzeugen. Die Fließgeschwindigkeit ist so abgestimmt, daß der zur Verfügung stehende Weg s₂ ausreicht, daß sich die Ionen durch ihre Coulombsche Anziehungskraft jeweils in den gegenüberliegenden Randzonen der Abflußkanäle sammeln und über im Durchmesser kleinere Abflußkanäle 25,26 zu Konduktoren 27,28 geführt werden, die ebenfalls geerdet sind. Kurz vor dem Ende der zweiten Trennstufe gehen noch Leitungen 29,30 für das von Ionen befreite Wasser ab. Die an den Konduktoren 27,28 abgegebenen Ladungen werden über Leitungen 31,32 in nach dem Stand der Technik bekannter Weise abgeführt. Der hinter den Konduktoren 27,28 liegende Teil der Abflußkanäle 25,26 mündet unmittelbar in einer Trennvorrichtung 33,34, in der neben dem Wasserstoff alkalische bzw. erdalkalische Laugen, Calzium, Magnesium sowie Chlor gewonnen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Die wäßrige Salzlösung wird in den Vorratstank Ί4 und von dort in den zweiten Behälter 17 geführt, wo sie in das von den Elektroden 19,20 gebildete elektrostatische Feld gerät. Die Elektroden 19,20 sind durch Kunststoffüberzüge isoliert, so daß kein elektrischer Kontakt zu der v/äßrigen Lösung besteht. Die aufzuwendende Spannung an den Elektroden soll möglichst hoch sein, d.h. z. B. 50OkV, Ist das elektrische Feld einmal aufgebaut, so ist der Energieverlust als relativ klein anzusehen, da der Stromfluß von den Elektroden höchstens 5mA betregen dürfte. Während sich das Meerwasser im zweiten Behälter 17 nach oben bewegt, werden die Ionen derart getrennt, daß die negativen Ionen in Richtung auf die Anode 19 und die positiven Ionon in Richtung auf die Kathode 20 wandern. Die Höhe der Elektroden 19,20 ist abgestimmt auf die in den Behälter 17 eingeführte Wassermenge und deren h'ließgeschwindigkeit, und zv/ar derart, daß das über die Abflußleitung 21 herausströmende Wasser deionisiert ist. Das angelegte elektrische Feld verhindert hingegen, daß die Ionen über die Abflußleitung 21 abfließen, vielmehr werden die Ionen in Richtung der Pfeile 35,36 in Verbindung mit dem dortigen Wasserfluß nach unten abgeführt und über die Abflußkanäle 22, 23 etwa mit einer Fließgeschwindigkeit zwischen 5 und 7m/sec abtransportiert. In der ersten, durch das elektrostatische Feld der Elektroden 19,20 bestimmte Stufe werden die Ionen also lediglich abgelenkt, hingegen nicht neutralisiert. Bei dieser Ablenkung verlieren sie einen Teil ihrer kinetischen Energie, was sie gleichzeitig an einer weiteren BewecLing in Richtung der Abflußleitung 21 hindert. Vielmehr werden sie durch den Sog des in die Abflußkanäle 22,23 abfließenden Wassers mitgerissen. Sollte der Sog des Wassers entlang der Elektrode 19,20 nicht ausreichen, so könnte gegebenenfalls ein weitmaschiges Gitter 37,38 jeweils vor den Elektroden aufgebaut werden, das einen Fließkanal oberhalb der

Abflußkanälo 25,26 schafft. Dioscs Gitter bostündo selbstverständlich aus Kunststoff. Um einen Lnduncjsstau in den Abfliiläkanälon 25,26 zu vorhindorn, der aufgrund dor Coulombschen Anziehungskräfte ungleichnamiger Ionon vorstollbar wäro, sind die Abflußkanäle 25,26 bis zur zweiten Trennstufe 24 geerdet. Die Erdung ondet kurz vor dor zwoiten Tronnstufe, wo die Leitungen auch nahe nebeneinander parallel geführt werden, so daß dio Coulombscho Anziehungskraft wirksam wird. Dioso bewirkt, daß sich dio Ionon jeweils in don Randzonon der gegonüberliogondon Bereiche sammoln, so daß das doionisierte Wasser über Abflußkanälo 25,26 abgeführt werden kann, während ein Teil der wäßrigen Lösung mit jeweils allen Ionen (2 bis 5%) übor die fortgeführton Abflußkanälo 25,26 woitergoführt wird. Dioso Abflußkanäle sind ebenfalls goordot. Die Stromabnahme erfolgt an den Konduktoren, dio Wandbereiche der Abflußkanäle 25,26 darstellen. Nur mit dom beschriebenen Verfahren ist os möglich, die einzelnen Ionen zu separioron, wobei jedes einzelne lon von näherungsweise 55 Wassermolokülen umgeben ist. Die bei der Dissoziation aufzuwendende Energie von etwa 7 χ 10"¹⁰ Joule pro Molekül kann letztendlich nutzbar gemacht werden. Die an don Konduktoren 27,28 aufgebauto Spannung wird durch die Gleichung U = q/C bestimmt, wobei q die auf den Konduktorplatten erhaltene Ladung und C dosson Kapazität ist. Nachdem die Ionen, im wesentlichen Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl", Br", J" ihre Ladung verloren haben und chemisch neutrale Atomo sind, reagieren sie mit dom Wasser zu entsprechenden Laugen untor gleichzeitiger Bildung von molekularem Wasserstoff. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird dieser Wasserstoff in Wasserstoffbehältern nach vorheriger Abführung und Reinigung von Wasser durch Kondonsation gelagert. Der Wasserstoff kann in der Anlage z. B. als Brennstoff verwendet worden. Die verbleibenden Alkali- und Erdall,alilaugon lassen sich aufgrund ihrer verschiedenen spezifischen Gewichte trennen, wobei die Alkalilaugen unmittelbar technisch verwertbar sind. Die Erdalkalilaugen werden zur Darstellung dor einen Metalle zunächst erhitzt, wobei neben Wasser die jeweiligen Metalloxide ontstehon. Die Metalloxide worden in eino weitoro Reaktionskammer weitergeleitet., wo sie einer reduzierenden Wasserstoffflamme ausgesetzt werden, wobei die Reaktion durch stetige Wasserabführung aufrechterhalten wird. Die Tronnung der einzelnen Erdalkalimetalle, insbesondere des Magnesiums und des Calciums erfolgt in einer weiteren Stufe durch stufenweise Erhitzung der Mischung zunächst auf einoTemperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Magnesiums (651⁰C), aber unterhalb des Schmelzpunktes des Calziums (881⁰C), wodurch das Magnesium flüssig wird und abgeführt werden kann. Nach Erwärmung aufz.B. 900°C wird auch das Calcium flüssig und kann abgeführt werden. Die verbleibenden Reststoffe werden anderweitig entsorgt. Schematisch ist in Fig. 2 eine Metallrektifikation 40 dargestellt. Die Halogengewinnung sei am Beispiel des Chlors verdeutlicht. Nach Neutralisation des Chlors reagiert dieses mit Wasser, bis zur Entstehung von Chlorgas, das abgepumpt wird, wobei das mit entstandene Wassergas durch einen Kühler geleitet wird, in dem das Wassergas kondensiert und in spezielle Becken abtropft. Das gereinigte Chlorgas wird in einen Kondensator geführt, in dem eine Temperatur bei -50°C herrscht. Nach Abkühlung wird das Chlorgas komprimiert und in verflüssigter Form in speziellen Halogenbehältern 41 gelagert. Hierbei sind pro Kubikmeter Wasser 217 Mol Chlorgas darstellbar, was einer Masse von 15,2 kg entspricht.

Zusätzlich in Fig. 2 sind weitere Gerüste 42 sowie Spannungsversorgungen 43 für die Elektroden 19,20 sowie Steuerungseinheiten 44 für den gewonnenen Strom dargestellt.

Claims

1. Verfahren zur Meerwasserentsalzung und zur Gewinnung von Energie und der im Meerwasser enthaltenen Rohstoffe, bei dem das Meerwasser durch ein quer zu seiner Strömungsrichtung liegendes elektrostatisches Feld geführt wird und neben einem ionenverarmten Meerwasserteilstrom jeweils mit Anionen bzw. Kationen angereicherte Meerwasserteilströme abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Meerwasser in einer ersten Stufe von unten in ein mit im wesentlichen vertikalen flächenartigen mit einem Dielektrikum überzogenen Elektroden ausgestatteten Raum derart eingeleitet wird, daß die Ionen durch das zwischen den Elektroden herrschende elektrostatische Feld jeweils in Richtung der Elektroden abgelenkt werden, aber durch den in die abführenden Leitungen gerichteten, durch Gravitation unterstützten Strömungsfluß mitgerissen werden, bevor sie die Elektroden erreichen und daß der deionisierte Teil des Wassers oberhalb der Elektroden abgeführt wird und daß in einer weiteren Stufe die abgeführten wäßrigen lonenströme jeweils an Konduktoren vorbeigeführt, dort entladen und in eine Trennstufe geleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Feldstärke durch eine Rechteckspannung (Rechteckimpulsminimum 0 V) erzeugt wird und daß die abgeführten wäßrigen lonenströme jeweils an Konduktoren vorbeigeführt, dort entladen und in eine Trennstufe geleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung zwischen 200 und 50OkV oder die Rechteckspannung zwischen 5 und 2OkV, vorzugsweise zwischen 7 und 1OkV, und einer Frequenz zwischen 10Hz und 2 kHz, vorzugsweise 10bis30Hzoder1 kHzbis2kHz, liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konstante Gleichspannung kurzzeitig (<20μ8βο) durch gleich große entgegengesetzte Spannungen unterbrochen wird bzw. zwischen den Gleichspannungsrechteckimpulsen kurzzeitig eine umgekehrte Polung geschaltet wird, wobei die Länge der Kurzzeitspannungsimpulse maximal 20 \isec oder bis maximal zu V20 der Rechtecksspannungsdachlänge beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anionen einerseits und die Kationen andererseits jeweils in getrennten geerdeten Leitungen aus der ersten Stufe abgeführt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zweiten Stufe die Erdung auf einem Leitungsteiistück unterbrochen ist und die Leitungen in einem solchen Abstand parallel zueinander geführt werden, bei dem sich durch die Coulobsche Anziehungskraft die Ionen in den Leitungen weitestrnöglich nähern und daß das deionisierte Wasser durch eine Leitungsgabelung abgeführt wird und nur das Ionen in höherer Konzentration enthaltende Wasser in Konduktoren geleitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stufe deionisiertes Wasser, vorzugsweise bis zu 20 Gew.-% getrennt von dem Ionen enthaltenen Wasserteilstrom abgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Stufe 95 bis 97 Gew.-% deionisiertes Wasser abgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgeschwindigkeit der jeweils getrennten lonenströme zwischen 3 und 7m/sec liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Meerwasser vor der ersten Stufe in einen Vorratsbehälter gepumpt und der Meerwasserfluß allein durch Verbrauch der dabei gewonnenen potentiellen Energie aufrechterhalten wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgeschwindigkeit des Ionen enthaltenen Wasserteilstroms in der zweiten Stufe durch Leitungsquerschnittsvergrößerung verlangsamt wird, vorzugsweise auf 40 bis 60% der vorherigen Geschwindigkeit.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Meerwasser vor Einleitung in die erste Stufe von Festkörpern, organischen Lebewesen, Pflanzen, Kolloiden mechanisch gereinigt bzw. gefiltert wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Ladungsabgabe an den Konduktor neutralen Metalle in wäßriger Lösung in ein Reaktionsgefäß geleitet werden, woraus der entstehende flüchtige Wasserstoff abgezogen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff in einem Kondensor gereinigt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Reaktion der neutralen Metalle mit Wasser entstehende Wärme abgeführt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Reaktion entstehenden Laugen als unterschiedlich j schwere Fraktionen getrennt werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdalkalimetalle, insbesondere Magnesium und Calzium, durch Erhitzung der Basen zu Metalloxiden überführt und anschließend unter Wasserstoffzufuhr und Wasserabführung zu Erdalkalimetallen reduziert werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdalkalimetalle, insbesondere Magnesium und Calzium, durch stufenweises Erhitzen über die jeweiligen Schmelzpunkte von den übrigen Metallen getrennt werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das neutralisierte Chlor in ein Reaktionsgefäß geleitet wird, woraus das entstehende Chlorgas gezogen wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Chlorgas über einen Kühler zur Reinigung von Wasser geleitet wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das gereinigte Chlorgas in einem Kondensor bis auf -50⁰C gekühlt und anschließend komprimiert wird.

22. Vorrichtung zur Meerwasserentsalzung und zur Gewinnung von Energie und der im Meerwasser enthaltenen Rohstoffe, gekennzeichnet durch folgende, jeweils nachgeordnete Teile:

a) einen Vorratstank (14), der mit mindestens einer in einer unter dem Wasserspiegel (12) endenden Zuleitung (15) angeordneten Pumpe (11) und einer mit einem regel-oder steuerbaren Ventil (18) ausgestatteten, in einen zweiten Behälter (17) mündenden ersten Abflußleitung (16),

b) dem zweiten Behälter (17) mit einem im wesentlichen vertikal angeordneten Elektrodenpaar (19,20) zur Bildung eines elektrostatischen Feldes, der im Boden oder Bodenbereich mit der oder den ersten Abflußleitungen (16) verbunden ist und der unterhalb der Elektroden (19,20) jeweils zwei Abflußkanäle (22, 25; 23, 26) und oberhalb der Elektroden (19,20) eine weitere Abflußleitung (21) aufweist,

c) jeweiligen Konduktoren (27, 28) hinter den Abflußkanälen (25, 26) und

d) einer chemischen Trennvorrichtung (33,34) zur Gewinnung von Wasserstoff, Alkalilaugen, Erdalkalimetallen und Chlorgas.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Abflußkanäle (22,25; 23, 26) geerdet sind.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdung der Abflußkanäle (22,25; 23,26) auf einem Teilstück (s₂) unterbrochen ist und die Abflußkanäle (22, 25; 23,26) in diesem Bereich (24) auf einen Abstand zwischen 2,5 und 3 m parallel geführt werden und von den Abflußkanälen (22, 25; 23,26) in diesem Bereich jeweils eine weitere Abführleitung (29,30) abzweigt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflußkanäle (22,25; 23,26) vor und hinter dem Teilstück einen Mindestabstand von 3m haben.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflußkanäle (22,25; 23,26) vor dem Teilstück einen Durchmesser von 8 bis 12 cm, in dem Teilstück einen aufgeweiteten Durchmesser, vorzugsweise auf den 1,3- bis 2fachen Querschnitt, und hinter den abzweigenden Abführleitungen (29,30) einen demgegenüber nur 3 bis 5% großen Querschnitt aufweisen.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratstank (14), der zweite Behälter (17), die Elektroden (19,20), die Abflußkanäle und/oder die Abflußrohre (13,16, 21,22,23,25,26,29,30) mit Kunststoff, vorzugsweise PVC, ausgekleidet sind.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegenüberliegenden Elektroden (19,20) als Wandungen des zweiten Behälters (17) ausgebildet sind und daß dieser im wesentlichen einen prismatischen Aufbau mit einer unten angeordneten Basis besitzt.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (19, 20) im unteren Bereich (Abflußbereich) naih außen abgebogen sind.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Bereich des zweiten Behälters (17) eine mindestens 8cm im Durchmesser große erste Abflußleitung (21) angeordnet ist.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratstank (14) mehrere Filter (15) und/oder Schlammablagerungsbecken aufweist.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung (33,34) aus mehreren Reaktionsbehältern, Abscheidebehältern und Auffangbehältern (39 bis 41) besteht.