DE102008038158A1

DE102008038158A1 - IONDRAG Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus einer Lösung mindestens eines Salzes in Wasser

Info

Publication number: DE102008038158A1
Application number: DE102008038158A
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr. Elles
Original assignee: Elles Oberflachen Systeme GmbH; ELLES OBERFLAECHEN SYSTEME GMB
Current assignee: Elles Oberflachen Systeme GmbH; ELLES OBERFLAECHEN SYSTEME GMB
Priority date: 2008-08-18
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2010-02-25

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus einer Lösung mindestens eines Salzes in Wasser, wobei das mindestens eine Salz zumindest teilweise in dissoziierter Form als Ionen in dem Wasser vorliegt, umfasst die folgenden Schritte: a) Fördern eines Wärmeträgerfluids mit einer vorgebbaren Temperatur durch mindestens ein durchströmbares, durch Wände begrenztes Volumen, welches eine äußere Oberfläche aufweist, die mit der Lösung in thermischem Kontakt steht, so dass zumindest Teile des Wassers der Lösung verdunsten; b) Kondensieren und Sammeln zumindest von Teilen des verdunsteten Wassers, und zeichnet sich dadurch aus, dass durch Anlegen eines Wechselstroms an mindestens eine Wand des Volumens ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, mittels dessen eine repulsive Kraft auf die Ionen bewirkt wird. Die Erfindung beruht darauf, dass durch das Induzieren eines spezifischen elektromagnetischen Feldes Abstoßungseffekte zwischen Ionen aus der Salzlösung und denen auf der äußeren Oberfläche erzeugt werden, mit dem Ziel, diese frei von Ablagerungen durch Salze zu halten.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus einer Lösung mindestens eines Salzes in Wasser. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können in vorteilhafter Weise zur Erzeugung von Süßwasser aus Salzwasser eingesetzt werden.
In vielen Ländern der Erde spielt die Wasseraufbereitung über die Wasserentsalzung eine große Rolle. Großtechnisch werden Ionenaustauscher und Membrantrennverfahren, aber auch Wasserverdampfungsanlagen eingesetzt.
Bei den Wasserverdampfungsanlagen wird Wasser über eine heiße Oberfläche verdampft. Der Wasserdampf wird anschließend zu Wasser kondensiert. Bei diesem Verfahren bilden sich Salzkrusten auf den Heizstäben, die die Verdampfungsleistung der heißen Oberflächen vermindern.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest verringern, insbesondere soll ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben werden, mit der der Verkrustung mit Salzen auf heißen Oberflächen entgegengewirkt wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus einer Lösung mindestens eines Salzes in Wasser, wobei das mindestens eine Salz zumindest teilweise in dissoziierter Form als Ionen in dem Wasser vorliegt, umfasst die folgenden Schritte:

a) Fördern eines Wärmeträgerfluides mit einer vorgebbaren Temperatur durch mindestens ein durchströmbaren durch Wände begrenzten Volumens, welches eine äußere Oberfläche aufweist, die mit der Lösung in thermischem Kontakt steht, so dass zumindest Teile Wassers der Lösung verdunsten;
b) Kondensieren und Sammeln zumindest von Teilen des verdunsteten Wassers,

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft zur Entsalzung von Meerwasser bzw. Salzwasser einsetzen. Unter einer repulsiven Kraft wird eine Kraft verstanden, die auf die Ionen wirkt und von der Wand weggerichtet ist. Durch diese repulsive Kraft werden die Anlagerungen von Salzkrusten auf der Wand zumindest verringert, bevorzugt sogar gänzlich verhindert. Das gesammelte Wasser kann als Süßwasser bzw. Trinkwasser Verwendung finden.
Bevorzugt sind die Wände aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufgebaut, insbesondere aus Kupfer. Bevorzugt beträgt die Wärmeleitfähigkeit der Wände mindestens 200 W/m·K (Watt pro Meter und Kelvin), insbesondere sogar mehr als 300 W/m·K, besonders bevorzugt sogar mehr als 350 W/m·K.
Das Wärmeträgerfluid umfasst insbesondere Wasser oder ein Wärmeträgeröl. Als Wärmeträgeröl wird insbesondere ein Wärmeträgeröl Q gemäß Deutscher Indust rienorm DIN 51 522 eingesetzt. Die vorgebbare Temperatur beträgt bei einer bevorzugten Ausgestaltung beim Einströmen in das Volumen 150 bis über 400°C.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Wärmeträgerfluid mittels solarer Beheizung auf die vorgebbare Temperatur geheizt.
Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass das Wärmeträgerfluid durch den Brennpunkt eines parabolischen Spiegels geführt wird, der auf die Sonne ausgerichtet wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens einer der folgenden Parameter des Wechselstroms variiert wird:

a) die Frequenz;
b) die Stromstärke und
c) die Spannung.

Durch Variation von Frequenz, Stromstärke und/oder elektrischer Spannung kann die Wirksamkeit der repulsiven Kraft eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Wärmeüberträgerfluid ein Wärmeüberträgeröl.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus einer Lösung mindestens eines Salzes in Wasser vorgeschlagen, wobei das mindestens eine Salz zumindest teilweise in dissoziierter Form als Ionen in dem Wasser vorliegt, welche umfasst:

a) mindestens ein durch Wände begrenztes Volumens, welches eine äußere Oberfläche aufweist, die mit der Lösung in thermischem Kontakt bringbar und für ein Wärmeüberträgerfluid durchströmbar ist,
b) mindestens eine Stromversorgung, die mit mindestens einer Wand eines der Volumen in elektrische Verbindung bringbar ist und
c) mindestens ein Steuermittel, welches Stromstärke, Spannung und/oder Frequenz der Stromversorgung steuert.

Das Steuermittel ist geeignet und bestimmt, die Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu steuern.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren offenbarten Details und Vorteile lassen sich auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen und anwenden und umgekehrt. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, ohne auf die dort gezeigte Ausführungsform beschränkt zu sein. Es zeigen schematisch
1 eine seitliche Ansicht einer das erfindungsgemäße Verfahren durchführenden Vorrichtung; und
2 eine Draufsicht auf eine das erfindungsgemäße Verfahren durchführende Vorrichtung.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gewinnung von Wasser 2 aus einer Lösung 3 mindestens eines Salzes in Wasser. Hierbei wird zunächst ein Wärmeträgerfluid 4 mit einer vorgebbaren Temperatur durch mindestens ein durchströmbares durch Wände 5 begrenztes Volumen 6 gefördert, welches eine äußere Oberfläche 7 aufweist, die mit der Lösung 3 in thermischem Kontakt steht, so dass zumindest Teile des Wassers der Lösung 3 verdunsten.
Dieser verdunstete Wasserteil wird zumindest teilweise kondensiert und gesammelt. Dies erfolgt in einem Sammelbereich 8 der Vorrichtung 1. Das so gewonnene Wasser wird dann durch entsprechend ausgebildete Abführeinrichtungen 9 abgeführt und beispielsweise der Trinkwasserversorgung zugeführt.
Erfindungsgemäß wird durch Anlegen eines Wechselstroms an mindestens eine Wand des Volumens ein elektromagnetisches Feld erzeugt, mittels dem eine repulsive Kraft auf die Ionen bewirkt wird. Der Wechselstrom wird durch mindestens eine Stromversorgung 10 erzeugt, die mit entsprechenden Wänden 5 verbunden werden kann. Die Stromversorgungen 10 werden durch ein entsprechendes Steuermittel 11 gesteuert.
2 zeigt eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Mehrere Volumen 6 sind ausgebildet, die elektrisch über Leitungen 12 verbunden werden. Das Wärmeträgerfluid 4 wird durch Pumpen 13 durch die Volumina 6 gepumpt.
Anders ausgedrückt wird durch Kupferröhren 6 heißes Wärmeträgeröl 4 gepumpt, das zuvor in einer Parabolspiegelsolareinheit auf eine vorgebbare Temperatur (beispielsweise 300–400°C) gebracht worden ist. Kupfer ist aufgrund seiner sehr hohen spezifische elektrischen Leitfähigkeit (58·10⁶ S/m) und seiner guten Wärmeleitfähigkeit λ von 401 [W/(m·K)] sehr gut als Material der Wände 5 des Volumens 6 geeignet.
Meerwasser enthält im Mittel einen Salzgehalt in Höhe von 3,5% Massenanteil und stellt folglich eine Lösung 3 mindestens eines Salzes in Wasser dar. Der Gesamtsalzgehalt variiert stark in Abhängigkeit von der geographischen Lage der verschiedenen Weltmeere. Der Salzgehalt der Ostsee beträgt beispielsweise 0,2 bis 2%, der Toten Meeres liegt bei ca. 28%. Hauptanteil der Salze bilden die Chloride und seine Verbindungen. Es dominiert das Natriumchlorid. Weitere Salze sind Magnesiumchlorid, Magnesiumsulfat, Calciumsulfat, Kaliumchlorid und Calciumkarbonat. In Spuren sind noch weitere Salze im Meerwasser enthalten. Neben der Salzform liegen die Ionen zum Teil auch in dissozierter Form in der Lösung vor.
Diese Salze bestehen aus den Verbindungen von unterschiedlichen Ionen. Es sind, wie oben beschrieben quantitativ gesehen, vorwiegend die Ionen Chlor und Sulfat und ihre Partner wie Natrium, Magnesium, Calcium und Kalium. Diese Ionen sind jeweils Träger einer ionenspezifischen elektrochemischen Ladung ausgedrückt in den unten aufgeführt Standardpotentialen E° für die jeweiligen Ionen. Aufgrund ihrer Ladungsstärke werden sie systematisch in der elektrochemischen Spannungsreihe eingeteilt. In Verbindung treten jeweils Ionen mit unterschiedlicher elektrochemischer Polarität. D. h. Chlor, hat relativ betrachtet, ein elektrochemisch positives Potential und verbindet sich zum Ladungsausgleich mit negativ geladenen Ionen, wie Natrium, Calcium etc.
Um zu verhindern, dass die heißen Oberflächen der Kupferröhren durch eine Salzschicht verkrusten, womit sie ihre Heizleistung einbüßen, wird durch das Anlegen eines zyklischen Magnetfeldes an den Kupferoberflächen, die Salz-Ionen von der heißen Kupferoberfläche abgestoßen bevor sie festbrennen. Dieser Effekt kann durch Anlegen eines spezifischen elektrischen Feldes an die Oberfläche der Kupferröhren erzeugt werden. Das elektrische Feld hat die Aufgabe, durch die Wechselwirkung zwischen der sich ständig ändernden elektrischen Ladung auf der Oberfläche die in der Lösung befindlichen Ionen fern zu halten, bzw. die Anlagerung dieser Teilchen an die Kupferoberfläche zu unterbinden.
Fazit:
Es ist also nicht das Ziel durch Anlegen eines spezifischen elektrischen Feldes die Kupferoberfläche für Oxidation- und Reduktionsvorgänge zu aktivieren, sondern durch das Induzieren eines spezifischen elektromagnetischen Feldes Abstoßungseffekte zwischen Ionen aus der Salzlösung und denen auf der heißen Kupferoberfläche zu erzeugen mit dem Ziel, diese frei von Ablagerungen durch Salze zu halten.
Um das zu erreichen, muss die Ladung bzw. Polarität und Frequenz, die Einfluss auf das elektrische Feld nimmt, zeitabhängig variiert werden. D. h. es wird eine sich wechselnde Spannung angelegt, die einer vorgebbaren Sequenz bezogen auf die Spannung, Stromstärke und die Polarität gehorchen muss.
Bevorzugt werden durch eine vorhergehende Filtration des Wassers vor dem Einleiten in die Verdampfungsanlage organische Verbindungen aus der Lösung 3 entfernt.

1: Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser
2: Wasser
3: Lösung mindestens eines Salzes in Wasser
4: Wärmeträgerfluid
5: Wand
6: Volumen
7: äussere Oberfläche
8: Sammelbereich
9: Abführeinrichtung
10: Stromversorgung
11: Steuermittel
12: Leitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN 51 522 [0009]

Claims

Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus einer Lösung mindestens eines Salzes in Wasser, wobei das mindestens eine Salz zumindest teilweise in dissoziierter Form als Ionen in dem Wasser vorliegt, umfassend die folgenden Schritte: a) Fördern eines Wärmeträgerfluides mit einer vorgebbaren Temperatur durch mindestens ein durchströmbaren durch Wände begrenzten Volumens, welches eine äußere Oberfläche aufweist, die mit der Lösung in thermischem Kontakt steht, so dass zumindest Teile Wassers der Lösung verdunsten; b) Kondensieren und Sammeln zumindest von Teilen des verdunsteten Wassers, dadurch gekennzeichnet, dass durch Anlegen eines Wechselstroms an mindestens eine Wand des Volumens ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, mittels dem eine repulsive Kraft auf die Ionen bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Wärmeträgerfluid mittels solarer Beheizung auf die vorgebbare Temperatur geheizt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens einer der folgenden Parameter des Wechselstroms variiert wird: a) die Frequenz; b) die Stromstärke und c) die Spannung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Wärmeüberträgerfluid ein Wärmeüberträgeröl umfasst.
Vorrichtung (1) zur Gewinnung von Wasser (2) aus einer Lösung (3) mindestens eines Salzes in Wasser, wobei das mindestens eine Salz zumindest teilweise in dissoziierter Form als Ionen in dem Wasser vorliegt, umfassend: a) mindestens ein durch Wände (5) begrenztes Volumens (6), welches eine äußere Oberfläche (7) aufweist, die mit der Lösung (3) in thermischem Kontakt bringbar und für ein Wärmeüberträgerfluid (4) durchströmbar ist, b) mindestens eine Stromversorgung (10), die mit mindestens einer Wand (5) eines der Volumen (6) in elektrische Verbindung bringbar ist und c) mindestens ein Steuermittel (12), welches Stromstärke, Spannung und/oder Frequenz der Stromversorgung (11) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel (12) geeignet und bestimmt ist, die Vorrichtung (1) nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu steuern.