DE602004007274T4

DE602004007274T4 - Osmotische energie

Info

Publication number: DE602004007274T4
Application number: DE602004007274T
Authority: DE
Inventors: Abdulsalam Worcester Park AL-MAYAHI; Adel Guildford SHARIF
Original assignee: Surrey Aquatechnology Ltd
Current assignee: Surrey Aquatechnology Ltd
Priority date: 2003-08-13
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2024-08-12
Also published as: AU2004265489A1; ATE365867T1; EP1660772B9; DE602004007274D1; WO2005017352A1; AU2004265489B2; JP4546473B2; CY1107727T1; DE602004007274T2; US8099958B2; US20090091139A1; CN1853044A; EP1660772A1; JP2007533884A; ES2288261T3; US20060225420A1; GB0319042D0; EP1660772B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antreiben einer Kraftmaschine. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Gerät zum Antreiben einer Kraftmaschine, beispielsweise zum Erzeugen von hydraulischer Leistung.
Wenn eine verdünnte wässrige Lösung (niedriges osmotisches Potential, niedrige Entropie) durch eine halbdurchlässige Membran von einer konzentrierten wässrigen Lösung (hohes osmotisches Potential, hohe Entropie) getrennt wird, so strömt Wasser aus der verdünnten wässrigen Lösung durch die halbdurchlässige Membran und verdünnt die konzentrierte wässrige Lösung. Dieses Phänomen wird Osmose genannt.
US 3 978 344 beschreibt ein Verfahren, in dem osmotische Energie in andere Energieformen umgewandelt wird. Konkret beschreibt diese Druckschrift ein Verfahren, in dem eine halbdurchlässige Membran dazu verwendet wird, Süßwasser von Meerwasser zu trennen. Die Differenz des osmotischen Potentials zwischen dem Süßwasser und dem Meerwasser führt dazu, dass Wasser durch die Membran in das Meerwasser strömt, was einen Anstieg des hydrostatischen Drucks auf der Meerwasserseite der Membran zur Folge hat. Das Meerwasser kann als druckbeaufschlagter Strom ausgestoßen werden, der zum Drehen einer mit einem elektrischen Generator gekoppelten Turbine verwendet werden kann.
Das Durchtreten von Süßwasser durch die halbdurchlässige Membran führt zu einer Verdünnung des Meerwassers, was schließlich die Erzeugung von Energie aus einer bestimmten Meerwassermenge begrenzt. Daher muss das verdünnte Meerwasser periodisch oder kontinuierlich mit frischem Meerwasser aufgefüllt werden.
US 3 906 250 beschreibt ein Gerät und ein Verfahren zum Erzeugen von Leistung unter Anwendung einer druckverzögerten Osmose. Eine erste Flüssigkeit mit einem relativ hohen osmotischen Druck wird bei einem relativ hohen hydraulischen Druck in eine erste Strecke eingeleitet, wo sie eine Seite einer halbdurchlässigen Membran berührt, und eine zweite Flüssigkeit mit einem niedrigeren osmotischen Druck wird bei einem niedrigeren hydraulischen Druck in eine zweite Strecke eingeleitet, wo sie die gegenüberliegende Seite der Membran berührt. Ein Teil der zweiten Flüssigkeit tritt aufgrund von druckverzögerter Osmose durch die halbdurchlässige Membran und bildet dabei eine druckbeaufschlagte Mischlösung mit einem größeren Volumen als dem Volumen der ersten Flüssigkeit. Die in der druckbeaufschlagten Mischlösung gespeicherte Potentialenergie wird in Energie, wie mechanische Energie, umgewandelt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Antreiben einer Kraftmaschine bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst:

a) Positionieren einer selektiven Membran zwischen eine Flüssigkeit und eine Lösung mit einem höheren osmotischen Potential als der Flüssigkeit, so dass die Lösung durch den Zufluss von Flüssigkeit durch die Membran mit Druck beaufschlagt wird,
b) Verwenden des in der Lösung erzeugten Drucks zum Antreiben einer Kraftmaschine,
c) Rückgewinnen der Lösung,
d) Abtrennen zumindest eines Teils des Lösungsmittels von der Lösung, um ein Restprodukt zu bilden, und
e) Rückführen des abgetrennten Lösungsmittels und/oder des Restprodukts aus Schritt d) zu Schritt a).

In einer Ausführungsform wird das Restprodukt aus Schritt d) wieder der Lösung aus Schritt a) zugeführt. Alternativ oder zusätzlich kann das abgetrennte Lösungsmittel wieder der Flüssigkeitsseite der Membran in Schritt a) zugeführt werden.
Der Zufluss von Flüssigkeit durch die selektive Membran erzeugt in der Lösung Druck (z. B. hydrostatischen Druck). Die druckbeaufschlagte Lösung aus Schritt a) kann unmittelbar dazu verwendet werden, die Kraftmaschine anzutreiben. Alternativ kann die Lösung aus Schritt a) rückgewonnen werden und ein Teil des Lösungsmittels der rückgewonnenen Lösung kann entfernt werden. Die resultierende konzentrierte Lösung kann zum Antreiben der Kraftmaschine verwendet werden, bevor sie zu Schritt a) rückgeführt wird. Alternativ oder zusätzlich kann das aus der Lösung abgetrennte Lösungsmittel zum Antreiben der Kraftmaschine verwendet werden. In allen Fällen wird wenigstens ein Teil des in der Lösung in Schritt a) erzeugten Drucks zum Antreiben der Kraftmaschine verwendet. Optional kann der in der Lösung erzeugte Druck zum Pumpen der Lösung für eine weitere Verarbeitung verwendet werden.
In Schritt a) kann irgendeine geeignete selektive Membran verwendet werden. Die Membran kann eine mittlere Porengröße von 1 bis 60 Ångström, vorzugsweise 2 bis 50 Ångström, und besonders bevorzugt 5 bis 40 Ångström, beispielsweise 10 bis 30 Ångström, aufweisen. In einer Ausführungsform weist die Membran eine mittlere Porengröße von 12 bis 25 Ångström auf.
Die mittlere Porengröße der Membran ist vorzugsweise kleiner als die Größe der gelösten Stoffe in der Lösung. Vorteilhafterweise verhindert oder reduziert dies das Strömen von gelöstem Stoff durch die Membran aufgrund von Diffusion, was Flüssigkeit entlang des osmotischen (entropischen) Gefälles durch die Membran strömen lässt. Der Flüssigkeitsfluss durch die Membran wird durch die Porengröße der Membran beeinflusst. Im Allgemeinen ist der Fluss umso größer, je größer die Porengröße ist.
Zu den geeigneten selektiven Membranen gehören integrale Membranen und Verbundmembranen. Konkrete Beispiele für geeignete Membranen sind u. a. aus Celluloseacetat (CA) gebildete Membranen und aus Polyamid (PA) gebildete Membranen. Vorzugsweise handelt es sich bei der Membran um eine ionenselektive Membran. Auch herkömmliche halbdurchlässige Membranen können eingesetzt werden.
Die Membran kann eben sein oder kann in Form eines Rohrs oder einer Hohlfaser vorliegen. Falls gewünscht, kann die Membran auf einer Trägerstruktur, wie z. B. einer Gitterstütze, ruhen. Die Membran kann gewellt sein oder eine gewundene Ausgestaltung aufweisen.
Die Kraftmaschine kann irgendeine geeignete Vorrichtung sein, die sich zum Umwandeln von Energie in der Lösung in mechanische Leistung eignet. Zu den geeigneten Kraftmaschinen zählen Drehkraftmaschinen, wie Turbinen. Die Kraftmaschine kann somit zum Erzeugen von Leistung verwendet werden.
Alternativ kann die Kraftmaschine ein Drucktauschersystem oder ein Teil hiervon sein. Somit kann die Kraftmaschine auch zum Übertragen von Energie von der druckbeaufschlagten Lösung auf ein anderes Fluid verwendet werden. Beispiele für geeignete Drucktauschersysteme sind in US 4 887 942 , US 5 338 158 , US 5 988 993 und US 6 540 487 beschrieben. Das Drucktauschersystem kann ein Gehäuse umfassen, das einen Körperbereich mit Endelementen an gegenüberliegenden Enden des Körperbereichs aufweist. Ein Rotor kann im Körperbereich in im Wesentlichen abdichtender Berührung mit den Endplatten positioniert sein. Der Rotor kann mit mindestens einem Kanal versehen sein, der sich in Längsrichtung von einem Ende des Rotors zum gegenüberliegenden Ende des Rotors mit einer Öffnung an jedem Ende erstreckt. Bei der Verwendung stellen der Kanal bzw. die Kanäle eine abwechselnde hydraulische Verbindung zwischen einer Hochdruckflüssigkeit, wie der druckbeaufschlagten Lösung aus Schritt a), und einer Niedrigdruckflüssigkeit her, um Druck zwischen den Flüssigkeiten zu übertragen.
Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird eine selektive Membran zwischen eine Flüssigkeit und eine Lösung positioniert. Die Lösung weist ein höheres osmotisches Potential auf als die Flüssigkeit. Somit ist die Gesamtkonzentration an gelöstem Salz (TDS von engl. ”Total Dissolved Salt”) der Lösung typischerweise höher als die der Flüssigkeit.
Die Differenz des osmotischen Potentials zwischen der Flüssigkeit und der Lösung führt dazu, dass Lösungsmittel von der Seite mit niedrigem osmotischem Potential (d. h. niedriger Stoffkonzentration oder niedriger Entropie oder hoher Lösungsmittelkonzentration) durch die selektive Membran auf die Seite mit hohem osmotischem Potential (d. h. hoher Stoffkonzentration oder hoher Entropie oder niedriger Lösungsmittelkonzentration) tritt. Dieser Zufluss von Flüssigkeit führt zu einem Druckanstieg in der Lösung. Beispielsweise kann aufgrund des Zuflusses von Flüssigkeit der Druck der Lösung von 10⁵ bis 10⁷ Pa auf einen Druck von 1,1 × 10⁵ bis 5,0 × 10⁷ Pa ansteigen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann aufgrund des Zuflusses von Flüssigkeit der Druck der Lösung von 10⁵ bis 10⁷ Pa auf einen Druck von 1,5 × 10⁵ bis 2,5 × 10⁷ Pa ansteigen.
Schritt a) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann in einem Gehäuse ausgeführt werden. Das Gehäuse ist vorzugsweise mit einem Einlass zum Einführen der Flüssigkeit zu einer Seite der selektiven Membran und mit einem Auslass zum Entfernen von druckbeaufschlagter Lösung von der gegenüberliegenden Seite der Membran versehen. In einer bevorzugten Ausführungsform reicht der Zufluss von Flüssigkeit in die Lösung aus, um die Lösung bei einem Druck von 1,1 × 10⁵ bis 5,0 × 10⁷ Pa, vorzugsweise 1,5 × 10⁵ bis 2,5 × 10⁷ Pa, aus dem Gehäuse auszustoßen. Die Größe des Gehäuseauslasses kann so bemessen werden, dass sichergestellt ist, dass die Lösung bei geeigneten Drücken ausgestoßen wird. Zusätzlich oder alternativ kann eine Düse (ein Druckregler) mit dem Auslass gekoppelt sein, um den Druck der Lösung entsprechend anzupassen.
Die druckbeaufschlagte Lösung kann beispielsweise als druckbeaufschlagter Strom aus dem Gehäuse entfernt werden. Der in der Lösung erzeugte Druck kann zum Antreiben einer Kraftmaschine verwendet werden. Die Lösung kann unmittelbar der Kraftmaschine zugeleitet werden, um die Kraftmaschine beispielsweise zur Erzeugung von Leistung anzutreiben. Alternativ kann der in der Lösung erzeugte Druck über ein Drucktauschersystem auf eine andere Flüssigkeit übertragen werden. Die druckbeaufschlagte Lösung aus Schritt a) kann unmittelbar in Schritt b) zum Antreiben der Kraftmaschine verwendet werden. Alternativ kann es möglich sein, die Schritte c) und d) des Verfahrens vor Schritt b) durchzuführen.
Der in der Lösung erzeugte Druck kann ausreichen, um die Lösung aus dem Gehäuse auf ein erhöhtes Niveau wie z. B. 10 bis 2500 m, vorzugsweise 50 bis 1500 m, auszustoßen. Somit kann die Lösung von einem erhöhten Niveau aus der Kraftmaschine zugeleitet werden. Auf diese Weise wird zumindest ein Teil der Potentialenergie der Lösung in mechanische Energie umgewandelt. Die mechanische Energie der Kraftmaschine kann anschließend in andere Energieformen, wie Elektrizität und/oder Wärme, umgewandelt werden. In bestimmten Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, die Lösung an einem erhöhten Ort zu speichern, bevor die Lösung der Kraftmaschine zugeleitet wird.
In Schritt c) wird die Lösung rückgewonnen. Dann wird Lösungsmittel aus der rückgewonnenen Lösung entfernt (Schritt d). Dieser Lösungsmittelentfernungsschritt kann mittels irgendeines geeigneten Lösungsmittelentfernungs-/-trennverfahrens durchgeführt werden. Es können thermische und/oder Membrantrennungsschritte eingesetzt werden. Eine Kombination von einem oder mehreren thermischen Trennungsschritten und/oder einem oder mehreren Membrantrennungsschritten kann eingesetzt werden.
Beispiele für geeignete thermische Trenntechniken sind u. a. Verdampfung, Destillation und Kristallisation. Die Verdampfung kann auf natürliche Weise durchgeführt werden, beispielsweise indem man das Lösungsmittel an der Luft unter Umgebungsbedingungen verdampfen lässt. Alternativ kann die Verdampfung in einem Kühlturm durchgeführt werden. Geeignete Destillationsverfahren sind u. a. die mehrstufige Flashdestillation (MSF von engl. ”multi-stage flash distillation”), die Multi-Effekt-Destillation (MED von engl. ”multiple effect distillation”), die mechanische Dampfkompression (MVC von engl. ”mechanical vapour compression”) und die Schnellsprühentsalzung bzw. ”Rapid Spray Desalination”.
Bei der mehrstufigen Flashdestillation bzw. Entspannungsdestillation wird die Lösung in eine Reihe von Rohre eingeleitet und auf eine erhöhte Temperatur erhitzt. Die erhitzte Lösung wird dann in eine Verdampfungskammer eingeleitet und einem Druck unterhalb ihres Dampfdrucks ausgesetzt. Die plötzliche Druckverringerung bewirkt ein Sieden oder explosionsartiges Verdampfen (”Flashing”). Die Flashdämpfe werden von dem salzhaltigen Rückstand durch Kondensation auf den Rohren der eingehenden Lösungsströme abgetrennt. Typischerweise werden eine Reihe von Verdampfungskammern eingesetzt. Der Verdampfungs- oder Flashing-Schritt ereignet sich also in mehreren Stufen.
Die Multi-Effekt-Destillation erfolgt in einer Reihe von Effekten und bedient sich bei den verschiedenen Effekten des Grundsatzes der Verringerung des Umgebungsdrucks. Dies ermöglicht es der Lösung, in einer Reihe von Stufen zu sieden, ohne dass nach dem ersten Effekt zusätzliche Wärme zugeführt werden muss.
Bei der Multi-Effekt-Destillation kann die Lösung vorgeheizt und als dünner Flüssigkeitsfilm auf die Oberfläche der Verdampferrohre aufgesprüht werden. Die Rohre werden erhitzt, indem Wasserdampf durch die Rohre geleitet wird. Die aufgesprühte Flüssigkeit verdampft, sobald sie mit der erhitzten Oberfläche der Rohre in Berührung kommt. Dieser Dampf wird zum Erhitzen der Verdampferrohre des nächsten Effekts verwendet, und die Wärmeübertragung führt dazu, dass der Dampf in den Rohren kondensiert. Indem die Lösung auf diese Weise verdampft und kondensiert wird, lässt sich das Lösungsmittel aus der Lösung gewinnen.
Die Effizienz der Multi-Effekt-Destillation lässt sich durch Komprimieren des Dampfes aus mindestens einem der Effekte erhöhen. Die Kombination aus Multi-Effekt-Destillation und Kompression wird als MED-Thermokompression bezeichnet.
Auch die mechanische Dampfkompression (MVD) kann zum Entfernen von Lösungsmittel aus der Lösung verwendet werden. Bei der mechanischen Dampfkompression wird typischerweise Dampf aus einem Behälter entnommen und dann durch Kompression in einem in dem Behälter befindlichen Rohr kondensiert. Der Schritt der Kompression und Kondensation erzeugt Wärme, die die Wände des Rohrs erhitzt. Wird Lösung auf die Oberfläche des Rohrs gesprüht, so verdampft sie und erzeugt dadurch mehr Dampf. Durch Wiederholen der Entnahme-, Kompressions- und Kondensationsschritte lässt sich weiteres Lösungsmittel aus der Lösung gewinnen.
Auch die ”Rapid Spray Desalination” (RSD) kann zum Entfernen von Lösungsmittel aus der Lösung verwendet werden. In einem typischen ”Rapid-Spray-Desalination”-Prozess wird Luft über ein Heizelement in eine Verdampfungskammer geblasen. Während sich die erhitzte Luft die Verdampfungskammer entlang bewegt, wird eine zerstäubte Lösung, beispielsweise eine Salzlaugenlösung, in die Verdampfungskammer eingespritzt. Die dahinziehenden Dampf- und Salzlaugentröpfchen passieren einen mechanischen Filter, der die Salzlaugentröpfchen einfängt und die reine Dampfphase in Richtung eines Kondensators weiterziehen lässt. Die Salzlaugentröpfchen können periodisch aus dem Filter gespült werden.
Wie vorstehend erwähnt, können auch Kristallisationsverfahren eingesetzt werden, um Lösungsmittel von der Lösung zu trennen. Die Kristallisation kann zum Auskristallisieren des Lösungsmittels oder des gelösten Stoffs aus der Lösung durchgeführt werden.
Die Kristallisation kann durch Abkühlen der Lösung auf beispielsweise den Gefrierpunkt des Lösungsmittels durchgeführt werden. Dies führt dazu, dass zumindest ein Teil des Lösungsmittels in der Lösung kristallisiert. Dieses kristallisierte Lösungsmittel kann anschließend entfernt werden. Die Kristallisation mag in kühlen Klimagegenden bevorzugt werden, wo die niedrigen Umgebungstemperaturen zum Verringern der Temperatur der Lösung zum Bewirken der Kristallisation verwendet werden können.
Alternativ kann eine thermische Trennsäule zum Durchführen der Kristallisation eingesetzt werden. So kann beispielsweise die Lösung in einer thermischen Trennsäule derart gekühlt werden, dass zumindest ein Teil der gelösten Stoffe aus der Lösung ausgefällt wird. Diese Präzipitate können sich am Boden der Säule sammeln und können dort geborgen werden, was in der Lösung im oberen Teil der Säule eine verringerte Stoffkonzentration zurücklässt. Vorteilhafterweise kann die Lösung unter Verwendung eines Salzes gebildet werden, dessen Löslichkeit empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen ist. Vorzugsweise werden derartige Salze bei niedrigen Temperaturen ohne weiteres aus der Lösung ausgefällt. Beispiele für solche Salze sind u. a. Hydrogenphosphate, wie Dinatriumhydrogenphosphat (Na₂HPO₄·12H₂O).
In einer Ausführungsform kann die Lösung aus Schritt a) auf ein erhöhtes Niveau (z. B. einen Berggipfel) transferiert werden, wo die Umgebungstemperatur i) niedrig genug ist, um die gelösten Teilchen in der Lösung zu kristallisieren, oder ii) unter dem Gefrierpunkt der Lösung liegt, um das Lösungsmittel zu kristallisieren. Dies führt zu einer Trennung der Lösung in zwei Anteile. Ein Anteil weist eine niedrige Stoffkonzentration auf, während der andere Anteil eine höhere Stoffkonzentration aufweist. Jede dieser Lösungen kann auf Grundniveau zurückgeführt werden, so dass die Potentialenergie der Lösungen zum Antreiben der Kraftmaschine verwendet werden kann. Diese Lösungen können zu Schritt a) rückgeführt werden.
Zu den geeigneten Membranverfahren zum Trennen des Lösungsmittels von der Lösung zählen Ionenaustausch, Elektrodialyse, Elektrodialyseumkehr, Nanofiltration und Umkehrosmose. Wenn Membranen verwendet werden, sollten diese in der Lage sein, den im System erzeugten hohen Drücken zu widerstehen.
Die zum Antreiben des Lösungsmittelentfernungsschrittes benötigte Wärmeenergie kann von einer Reihe von Quellen zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise kann die Wärmeenergie durch die Umgebung (z. B. Verdampfung bei Umgebungstemperatur), durch geothermische Quellen und/oder durch Solarenergie bereitgestellt werden. In heißen Klimagegenden ist u. U. die Verdampfung bei Umgebungstemperatur zu bevorzugen. Die Entfernung des Lösungsmittels kann möglicherweise auch dadurch herbeigeführt werden, dass Luft, beispielsweise trockene warme Luft, über die Flüssigkeit geführt wird, so dass eine Verdampfung des Lösungsmittels bewirkt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die überschüssige Wärme aus einem industriellen Prozess (z. B. einem Kraftwerk, einer Raffinerie oder chemischen Anlage) zum Antreiben des Lösungsmittelentfernungsschrittes verwendet werden. Mit anderen Worten kann der Lösungsmittelentfernungsschritt der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, überschüssige Wärme aus einem industriellen Prozess zu beseitigen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die zum Antreiben des Lösungsmittelentfernungsschrittes benötigte Wärmeenergie durch das Verbrennen eines Kraftstoffes, wie Öl, Holz, Torf, Gesträuch, Gras, Stroh, Erdgas und Kohle, bereitgestellt werden. Auch Abfallprodukte können verbrannt werden, um die für den Lösungsmittelentfernungsschritt benötigte Wärmeenergie bereitzustellen.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann die zum Antreiben des Lösungsmittelentfernungsschrittes benötigte Wärmeenergie durch biologische Prozesse, wie Thermogenese und Gärung, bereitgestellt werden.
In einer anderen Ausführungsform kann die zum Antreiben des Lösungsmittelentfernungsschrittes benötigte Wärmeenergie durch Kompression und Dekompression von Gas (z. B. Luft) bereitgestellt werden. Wenn sich ein Gas bei einer gegebenen Temperatur isotrop ausdehnt, dann ist seine Endtemperatur bei dem neuen Druck viel niedriger. Das resultierende kalte Gas kann – entweder unmittelbar in einem offenen System oder mittelbar anhand eines Wärmeaustauschers in einem geschlossenen System – als Kühlmittel verwendet werden. Umgekehrt führt die Kompression von Gas zu einem Anstieg der Gastemperatur. Die Kompressionswärme kann zum Erwärmen der Lösung und/oder zum Verdampfen des Lösungsmittels verwendet werden.
In noch einer anderen Ausführungsform kann die zum Antreiben des Lösungsmittelentfernungsschrittes benötigte Wärmeenergie durch Windkraft bereitgestellt werden. Windkraft kann zum Komprimieren von Luft verwendet werden und die Kompressionswärme zum Erwärmen der Lösung und/oder zum Verdampfen des Lösungsmittels. Die Luft kann dann dekomprimiert werden und der Kühleffekt der Dekompression kann zum Kühlen der Lösung und/oder zum Kondensieren des Dampfes verwendet werden. Die Verwendung von Luft als Kühlmittel beruht auf dem Prinzip, dass ein Gas, das sich bei einer gegebenen Temperatur isotropisch ausdehnt, bei dem neuen Druck eine viel niedrigere Endtemperatur besitzt. Das resultierende kalte Gas, in diesem Fall Luft, kann dann – entweder unmittelbar in einem offenen System oder mittelbar anhand eines Wärmeaustauschers in einem geschlossenen System – als Kühlmittel verwendet werden.
Die oben erörterten Wärmeenergiequellen können insbesondere zum Entfernen von Lösungsmittel durch Verdampfung/Destillation von Nutzen sein.
Sobald Lösungsmittel aus der Lösung entfernt wird, entsteht ein Restprodukt. Dieses Restprodukt wird vorzugsweise zu einer Lösung rückgeführt, die sich zur Verwendung in Schritt a) eignet. Beispielsweise kann das in Schritt d) des Verfahrens erzeugte Restprodukt wieder zu der Lösung aus Schritt a) dieses Verfahrens rückgeführt werden. Alternativ, wenn mehr als eines der Verfahren der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird (z. B. gleichzeitig), ist es möglich, das Restprodukt eines der Verfahren wieder zu Schritt a) eines anderen Verfahrens rückzuführen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann kontinuierlich durchgeführt werden, unter Verringerung oder Beseitigung des Erfordernisses, die Lösung aus Schritt a) durch frische Lösung zu ersetzen oder mit frischer Lösung aufzufüllen. Auch ist es nicht erforderlich, der Lösung frische gelöste Stoffe zuzusetzen, obwohl dies in einigen Fällen wünschenswert sein kann.
Das Restprodukt kann in Form eines Feststoffes oder einer konzentrierten Lösung vorliegen. Für den Fall, dass es sich bei dem Restprodukt um einen Feststoff handelt, kann der Feststoff der Lösung aus Schritt a) zugegeben werden, um die Stoffkonzentration der Lösung aus Schritt a) zu erhöhen. Dies kann dazu beitragen, die Differenz zwischen der Stoffkonzentration auf den zwei Seiten der Membran aufrechtzuerhalten, und sicherstellen, dass der Flüssigkeitsstrom durch die Membran mit ausreichender Geschwindigkeit erfolgt.
Falls es sich bei dem Restprodukt um einen Feststoff handelt, so kann der Feststoff auch mit einem Lösungsmittel verdünnt werden, um eine konzentrierte Lösung zu erzeugen. Diese konzentrierte Lösung kann in die Lösung aus Schritt a) eingeleitet werden. Indem die Konzentration dieser Lösung entsprechend eingestellt wird, kann die Stoffkonzentration der Lösung aus Schritt a) auf einem gewünschten Niveau gehalten werden. Dies kann dazu beitragen, die Differenz zwischen der Stoffkonzentration auf den zwei Seiten der Membran aufrechtzuerhalten, und sicherstellen, dass der Flüssigkeitsstrom durch die Membran mit ausreichender Geschwindigkeit erfolgt.
Wenn es sich bei dem Restprodukt um eine konzentrierte Lösung handelt, so kann die konzentrierte Lösung auf die Lösungsseite der selektiven Membran aus Schritt a) eingeleitet werden. In einigen Ausführungsformen kann es erforderlich sein, die Konzentration der konzentrierten Lösung vor einer Verwendung zu verändern, beispielsweise durch Zusetzen einer größeren Menge an Lösungsmittel oder gelöstem Stoff zu der Lösung. Durch entsprechendes Einstellen der Konzentration der Lösung kann die Stoffkonzentration der Lösung auf einem gewünschten Niveau gehalten werden. Dies kann dazu beitragen, die Differenz zwischen der Stoffkonzentration auf den zwei Seiten der Membran aufrechtzuerhalten, und sicherstellen, dass der Flüssigkeitsstrom durch die Membran mit ausreichender Geschwindigkeit erfolgt.
Das in dem Lösungsmittelentfernungsschritt entfernte Lösungsmittel kann rückgewonnen und beispielsweise zu einer Flüssigkeit rückgeführt werden, die sich zur Verwendung in Schritt a) eignet. Das in Schritt d) des Verfahrens entfernte Lösungsmittel kann zu Schritt a) des Verfahrens rückgeführt werden oder alternativ, wenn eine Vielzahl von Verfahren der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden (z. B. gleichzeitig), kann das in Schritt d) entfernte Lösungsmittel eines bestimmten Verfahrens zu Schritt a) eines anderen Verfahrens rückgeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das entfernte Lösungsmittel entsorgt oder für andere Zwecke verwendet werden. In einer Ausführungsform ist die Flüssigkeit Meerwasser und die Lösung ist eine wässrige Lösung. Also ist das aus der Lösung in Schritt d) entfernte Lösungsmittel Wasser. Dieses Wasser kann für eine Reihe von Anwendungen, einschließlich landwirtschaftlicher, industrieller und häuslicher Anwendungen (z. B. als Trinkwasser), eingesetzt werden. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung somit zum Entsalzen von Meerwasser verwendet werden.
Es kann möglich sein, die Flüssigkeit aus Schritt a) beispielsweise periodisch oder kontinuierlich mit frischer Flüssigkeit aufzufüllen oder durch frische Flüssigkeit zu ersetzen.
Die in Schritt a) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung eingesetzte Flüssigkeit ist vorzugsweise Wasser oder eine wässrige Lösung. Beispielsweise kann die Flüssigkeit Meerwasser, Frischwasser (z. B. aus Flüssen, Seen und unterirdischen Quellen) und Brackwasser sein. Auch Grauwasserströme, wie zum Beispiel Waschabwasser (z. B. vom Wäschewaschen) und Ströme aus Abwasserkanälen können verwendet werden. Die Flüssigkeit kann also Verunreinigungen enthalten, die sich typischerweise in Wasser diesen Ursprungs finden. Beispielsweise kann das Wasser gelöste Salze, wie z. B. Metall- oder Ammoniumsalze, enthalten. Beispiele für möglicherweise vorhandene Salze sind u. a. Fluoride, Chloride, Bromide, Iodide, Sulfate, Sulfite, Sulfide, Carbonate, Hydrogencarbonate, Nitrate, Nitrite, Nitride, Phosphate, Aluminate, Borate, Bromate, Karbide, Chloride, Perchlorate, Hypochlorate, Chromate, Fluorsilicate, Fluorsilicate, Fluorsulfate, Silicate, Cyanide und Cyanate. Vorzugsweise werden Salze von Alkali- und/oder Erdalkalimetallen eingesetzt. Beispiele für solche Metalle umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium und Strontium. In einer Ausführungsform ist die Flüssigkeit Meerwasser und enthält folglich Natriumchlorid in einer Konzentration von mindestens 3 Gew.-%.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Flüssigkeit ein Abwasser aus einem industriellen oder landwirtschaftlichen Prozess sein.
Die Stoffkonzentration (d. h. TDS) der Flüssigkeit kann 0 bis 40 Gew.-% betragen, vorzugsweise 0,0 bis 6 Gew.-%.
Während der Osmose wird wenigstens ein Teil der gelösten Stoffe und der suspendierten Verunreinigungen in der Flüssigkeit daran gehindert, durch die Membran zu strömen. Vorzugsweise bleiben alle gelösten Stoffe/Verunreinigungen auf der Flüssigkeitsseite der Membran, so dass die Flüssigkeit durch die Membran strömen kann, um die Lösung auf der anderen Seite der Membran zu verdünnen. Somit wird der gelöste Stoff, wenn es sich bei der Flüssigkeit um eine Lösung eines in einem Lösungsmittel gelösten Stoffes handelt, vorzugsweise daran gehindert, die Membran zu durchströmen, so dass das Lösungsmittel durch die Membran strömen kann, um die Lösung auf der anderen Seite zu verdünnen. Speziell werden, falls es sich bei der Flüssigkeit um eine wässrige Lösung handelt, gelöste Stoffe und/oder suspendierte Verunreinigungen in der Lösung vorzugsweise daran gehindert, die Membran zu durchströmen, so dass Wasser durch die Membran strömen kann, um die Lösung auf der anderen Seite zu verdünnen.
Die Lösung kann aus einem organischen und/oder anorganischen Lösungsmittel gebildet sein. Zu den geeigneten organischen Lösungsmitteln gehören Kohlenwasserstoffe, wie aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe. Es können auch Gemische organischer Lösungsmittel eingesetzt werden. Die Kohlenwasserstoffe können geradkettig, verzweigt und/oder cyclisch sein. Beispiele hierfür umfassen, sind aber nicht beschrankt auf, Alkane, Alkene und Alkine. Die Kohlenwasserstoffe können durch ein oder mehrere Heteroatome, wie beispielsweise Fluor-, Chlor-, Brom-, Iod-, Sauerstoff-, Schwefel-, Stickstoff- und/oder Phosphoratome, substituiert sein. In einer Ausführungsform können sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe, wie Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren, Ether, Ester, Alkohole und/oder deren Derivative, eingesetzt werden. Beispielsweise können auch Glycolether und Glycoletherester eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können halogenierte Lösungsmittel, wie chlorierte, bromierte und/oder fluorierte Kohlenwasserstoffe, eingesetzt werden.
Zu den geeigneten anorganischen Lösungsmitteln gehören saure Lösungsmittel, basische Lösungsmittel und/oder Wasser. Wasser wird vorzugsweise als Lösungsmittel in der Lösung eingesetzt.
Die Lösung ist vorzugsweise eine wässrige Lösung.
Zu den geeigneten gelösten Stoffen für die Lösung gehören organische Verbindungen, biologische Verbindungen und/oder anorganische Verbindungen.
Zu den geeigneten organischen Verbindungen gehören Kohlenwasserstoffe, wie aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe. Auch Gemische aus zwei oder mehr organischen Verbindungen können eingesetzt werden. Die Kohlenwasserstoffe können geradkettig, verzweigt und/oder cyclisch sein. Beispiele für geeignete Kohlenwasserstoffe umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Alkane, Alkene und Alkine. Die Kohlenwasserstoffe können durch ein oder mehrere Heteroatome, beispielsweise Fluor-, Chlor-, Brom-, Iod-, Sauerstoff-, Schwefel-, Stickstoff- und/oder Phosphoratome, substituiert sein. In einer Ausführungsform können sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe, wie Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren, Ether, Ester, Alkohole und/oder deren Derivative, eingesetzt werden. Die gelösten organischen Stoffe können ein Molekulargewicht von 100 bis 10000 gmol^–1, vorzugsweise 300 bis 5000 gmol^–1, besonders bevorzugt 400 bis 2000 gmol^–1 und ganz besonders bevorzugt 500 bis 1000 gmol^–1 aufweisen.
Zu den geeigneten biologischen Verbindungen gehören Proteine, Aminosäuren, Nucleinsäuren, Kohlenhydrate und Lipide. Es können Gemische aus zwei oder mehr biologischen Verbindungen eingesetzt werden. Zu den bevorzugten gelösten biologischen Stoffen gehören Zucker, wie Rohrzucker und/oder Rübenzucker. Glucose, Fructose und Saccharose können auch eingesetzt werden. Die gelösten biologischen Stoffe können ein Molekulargewicht von 100 bis 10000 gmol^–1, vorzugsweise 300 bis 5000 gmol^–1, besonders bevorzugt 400 bis 2000 gmol^–1 und ganz besonders bevorzugt 500 bis 1000 gmol^–1 aufweisen.
Vorzugsweise ist die Lösung eine Lösung aus einer oder mehreren anorganischen Verbindungen, wie anorganischen Salzen. Zu den geeigneten Salzen gehören Metall- oder Ammoniumsalze. Es können Gemische aus zwei oder mehr Salzen eingesetzt werden. Beispiele hierfür umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Fluoride, Chloride, Bromide, Iodide, Sulfate, Sulfite, Sulfide, Carbonate, Hydrogencarbonate, Nitrate, Nitrite, Nitride, Hydrogenphosphate, Phosphate, Aluminate, Borate, Bromate, Karbide, Chloride, Perchlorate, Hypochlorate, Chromate, Fluorsilicate, Fluorsilicate, Fluorsulfate, Silicate, Cyanide und Cyanate. Vorzugsweise werden Salze von Alkali- und/oder Erdalkalimetallen eingesetzt. Beispiele für solche Metalle umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium und Strontium.
Vorzugsweise ist die Lösung eine wässrige Lösung aus mindestens einem Salz, ausgewählt aus Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Kaliumnitrat, Magnesiumsulfat (z. B. MgSO₄·6H₂O oder MgSO₄·7H₂O), Magnesiumchlorid (z. B. MgCl₂·6H₂O), Natriumsulfat (z. B. Na₂SO₄·10H₂O), Calciumchlorid (z. B. CaCl₂·2H₂O oder CaCl₂·6H₂O), Natriumcarbonat, Dinatriumhydrogenphosphat (Na₂HPO₄·12H₂O) und Kaliumalaun (24H₂O). In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lösung eine wässrige Natriumchloridlösung.
Vorzugsweise wird die Lösung gebildet durch Einführen einer bekannten Menge eines gelösten Stoffes in eine bekannte Menge eines Lösungsmittels. Vorzugsweise besteht die Lösung im Wesentlichen aus einem ausgewählten Stoff, der in einem ausgewählten Lösungsmittel gelöst ist. Beispielsweise umfasst das Verfahren der vorliegenden Erfindung in einer Ausführungsform ferner den Schritt des Lösens eines ausgewählten Stoffes in einem ausgewählten Lösungsmittel. In einer Ausführungsform wird die Lösung durch Mischen von Ammoniak und Kohlendioxid in Wasser gebildet. Die entstehende Lösung kann eine konzentrierte Lösung aus Ammoniak, Kohlendioxid, Ammoniumcarbonat, Ammoniumbicarbonat und Ammoniumcarbamaten, wie in WO 02/060825 beschrieben, umfassen.
Alternativ kann die Lösung aus einem existierenden Strom, wie z. B. einem Abwasserstrom aus einem industriellen Prozess, stammen. Beispielsweise kann die Lösung ein Kühlturm-Abschlämmabwasser, Meerwasser, ein Wasserentsalzungsabwasser oder ein Abwasser aus einem Ölextraktionsverfahren sein.
In einer Ausführungsform weist die Lösung eine Stoffkonzentration (z. B. Salzkonzentration) von 1 bis 400 Gew.-%, vorzugsweise 2 bis 100 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 80 Gew.-%, beispielsweise 10 bis 50 Gew.-%, auf. Bei dem gelösten Stoff kann es sich um einen oder mehrere der oben erwähnten Stoffe handeln. Beispielsweise kann der gelöste Stoff ein Salz sein, ausgewählt aus Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Kaliumnitrat, Magnesiumsulfat (z. B. MgSO₄·6H₂O oder MgSO₄·7H₂O), Magnesiumchlorid (z. B. MgCl₂·6H₂O), Natriumsulfat (z. B. Na₂SO₄·10H₂O), Calciumchlorid (z. B. CaCl₂·2H₂O oder CaCl₂·6H₂O), Natriumcarbonat, Dinatriumhydrogenphosphat (Na₂HPO₄·12H₂O) und Kaliumalaun (24H₂O). Alternativ kann der gelöste Stoff ein Zucker sein.
In einer Ausführungsform ist die Lösung eine Natriumchloridlösung mit einer Natriumchloridkonzentration von 2 bis 39 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 35 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 30 Gew.-%. In einer anderen Ausführungsform ist die Lösung eine Kaliumchloridlösung mit einer Kaliumchloridkonzentration von 5 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 45 Gew.-%, und besonders bevorzugt 15 bis 35 Gew.-%. In einer anderen Ausführungsform ist die Lösung eine Kaliumnitratlösung mit einer Kaliumnitratkonzentration von 5 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 60 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 bis 45 Gew.-%. In noch einer anderen Ausführungsform ist die Lösung eine Calciumchloridlösung mit einer Calciumchloridkonzentration von 5 bis 120 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 100 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 bis 80 Gew.-%. In einer alternativen Ausführungsform ist die Lösung eine Natriumcarbonatlösung mit einer Natriumcarbonatkonzentration von 5 bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 35 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 bis 30 Gew.-%. In einer weiteren Ausführungsform ist die Lösung eine Dinatriumhydrogenphosphatlösung mit einer Dinatriumhydrogenphosphatkonzentration von 5 bis 39 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 35 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 bis 30 Gew.-%. In einer anderen Ausführungsform ist die Lösung eine Natriumsulfatlösung mit einer Salzkonzentration von 5 bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 40 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 bis 39 Gew.-%. In noch einer anderen Ausführungsform ist die Lösung eine Magnesiumsulfatlösung mit einer Magnesiumsulfatkonzentration von 5 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 80 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 bis 75 Gew.-%.
Die TDS-Differenz zwischen der Flüssigkeit und der Lösung kann mindestens 1 Gew.-%, beispielsweise 1 bis 39 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 35 Gew.-%, betragen.
Irgendeine geeignete selektive Membran kann im Verfahren der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Es kann eine Gruppe von Membranen eingesetzt werden. Geeignete Membranen sind u. a. Celluloseacetat-(CA) und Polyamid-(PA)Membranen. Die Membran kann eben sein oder in Form eines Rohres oder einer Hohlfaser vorliegen. Es können dünne Membranen eingesetzt werden. Falls gewünscht, kann die Membran auf einer Trägerstruktur, wie einer Gitterstütze, ruhen.
In einer Ausführungsform können eine oder mehrere rohrförmige Membranen innerhalb eines Gehäuses angeordnet sein. Die Flüssigkeit kann in das Gehäuse eingeleitet werden, während die Lösung in die rohrförmigen Membranen eingeleitet werden kann. Da die Lösungsmittelkonzentration der Flüssigkeit höher ist als die der Lösung, wird Flüssigkeit durch die Membran in die Lösung diffundieren. Somit wird die Lösung zunehmend mit Flüssigkeit verdünnt. Die verdünnte Lösung kann aus dem Inneren der rohrförmigen Membranen gewonnen werden, während die Flüssigkeit aus dem Gehäuse entfernt werden kann.
Wenn eine ebene Membran eingesetzt wird, dann kann diese Bahn so gerollt werden, dass sie im Querschnitt eine Spirale definiert.
Die Porengröße der Membran kann je nach Größe der Lösungsmittelmoleküle, deren Trennung erforderlich ist, ausgewählt werden. Die Membran kann eine mittlere Porengröße von 1 bis 60 Ångström, vorzugsweise 2 bis 50 Ångström, besonders bevorzugt 5 bis 40 Ångström, beispielsweise 10 bis 30 Ångström, aufweisen. In einer Ausführungsform weist die Membran eine mittlere Porengröße von 12 bis 25 Ångström auf.
Es kann möglich sein, eine Membran mit einer Porengröße zu verwenden, die den Durchtritt von zwei oder mehr unterschiedlichen Arten von Lösungsmittelmolekülen durch die Membran erlaubt. Es können herkömmliche halbdurchlässige Membranen eingesetzt werden. Solche halbdurchlässigen Membranen weisen typischerweise eine mittlere Porengröße von beispielsweise 1 bis 5 Ångström auf.
Das Strömen von Lösungsmittel durch eine selektive Membran wird im Allgemeinen durch Wärmebedingungen beeinflusst. So können die Flüssigkeit und die Lösung auf jeweiligen Seiten der Membran erhitzt oder gekühlt werden, falls gewünscht. Vorzugsweise wird die Lösung auf eine Temperatur von 30 bis 90°C, vorzugsweise 50 bis 70°C, erhitzt. Die Flüssigkeit kann beispielsweise auf –20°C bis 20°C, beispielsweise 7 bis 12°C, gekühlt werden. Auch können auf beiden Seiten der Membran chemische Reaktionen durchgeführt werden, falls gewünscht. In einer Ausführungsform kann die Lösung und/oder die Flüssigkeit umgerührt werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Lösung und/oder die Flüssigkeit einem externen Feld, wie einem elektrischen, Mikrowellen- und/oder Laserfeld, ausgesetzt werden, um die osmotische Potentialdifferenz zwischen den beiden Lösungen zu erhöhen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ferner einen Vorbehandlungsschritt des Entfernens von kontaminierenden Substanzen, wie suspendierten Partikeln und biologischen Stoffen, aus der Flüssigkeit (z. B. aus einem Abwasserstrom, Meerwasser, Flusswasser, Seewasser oder Brackwasser) umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann der Flüssigkeit ein ”Threshold-Inhibitor” zur Scaling-Kontrolle zugegeben werden. Auch können Vorbehandlungsschritte zum Ändern des pH-Wertes der Flüssigkeit eingesetzt werden.
Wahlweise kann die Lösung auch zum Entfernen von kontaminierenden Substanzen, wie suspendierten Partikeln oder biologischen Stoffen, behandelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Lösung ein ”Threshold-Inhibitor” zur Scaling-Kontrolle zugegeben werden. Auch können Vorbehandlungsschritte zum Ändern des pH-Wertes der Lösung eingesetzt werden.
Wahlweise kann Schritt a) des Verfahrens einmal oder mehrmals wiederholt werden. So kann die druckbeaufschlagte Lösung aus Schritt a) auf einer Seite einer weiteren selektiven Membran positioniert sein und eine weitere Lösung kann auf die andere Seite der Membran platziert werden. Die weitere Lösung weist ein höheres osmotisches Potential auf als die Lösung auf der anderen Seite der Membran, so dass die weitere Lösung durch den Zufluss von Flüssigkeit durch die Membran mit Druck beaufschlagt wird. Der Druck der weiteren Lösung kann zum Antreiben der Kraftmaschine verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gerät zum Antreiben einer Kraftmaschine vorgesehen, wobei das Gerät umfasst
eine Kraftmaschine,
ein Gehäuse mit einer selektiven Membran zum Trennen einer Flüssigkeit von einer Lösung, die eine höhere Stoffkonzentration aufweist als die Flüssigkeit, und die selektive Membran derart ausgebildet ist, dass durch die Membran hindurchtretende Flüssigkeit die Lösung mit Druck beaufschlagt,
eine Einrichtung zum Übertragen des in der Lösung erzeugten Drucks auf die Kraftmaschine,
eine Einrichtung zum Wiedergewinnen der Lösung,
eine Einrichtung zum Trennen des Lösungsmittels von der Lösung, um ein Restprodukt zu erzeugen, und
eine Einrichtung zum Rückführen des Restprodukts und/oder des getrennten Lösungsmittels zum Gehäuse.
Das Restprodukt kann zu der in dem Gehäuse des Gerätes enthaltenen Flüssigkeit rückgeführt werden. Alternativ kann das Restprodukt zu einer im Gehäuse eines anderen Gerätes gemäß der vorliegenden Erfindung enthaltenen Lösung rückgeführt werden.
Die Kraftmaschine kann irgendeine geeignete Vorrichtung sein, die sich zum Umwandeln von Energie in der Lösung in mechanische Leistung eignet. Geeignete Kraftmaschinen sind u. a.
Drehkraftmaschinen, wie Turbinen. Somit kann die Kraftmaschine zum Erzeugen von Leistung verwendet werden.
Alternativ kann die Kraftmaschine ein Drucktauschersystem oder ein Teil hiervon sein. So kann die Kraftmaschine auch zum Übertragen von Energie von der druckbeaufschlagten Lösung auf ein anderes Fluid verwendet werden. Beispiele für geeignete Drucktauschersysteme sind in US 4 887 942 , US 5 338 158 , US 5 988 933 und US 6 540 487 beschrieben.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt:
1 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
3 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Zunächst wird auf 1 der Zeichnungen Bezug genommen. Diese Figur veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren wird unter Verwendung eines Geräts 10 mit einer Osmosezelle 12, einer Kraftmaschine 14 (z. B. einer mit einem elektrischen Generator gekoppelten Turbine) und einem Separator 16 durchgeführt. Die Osmosezelle 12 umfasst eine halbdurchlässige Membran 18.
Bei Verwendung wird Wasser 11 (z. B. Meerwasser) auf eine Seite der Membran 18 geleitet. Eine Natriumchloridlösung 13 mit 30 Gew.-% wird auf die gegenüberliegende Seite der Membran 18 geleitet. Da die Natriumchloridkonzentration der Natriumchloridlösung höher ist als die Gesamtkonzentration an gelöstem Salz (TDS-Konzentration) des Meerwassers, strömt Wasser durch die Membran 18 aufgrund von Osmose. Der Zufluss von Wasser durch die Membran 18 erhöht den Druck der Natriumchloridlösung.
Die druckbeaufschlagte Natriumchloridlösung wird aus der Osmosezelle 12 entfernt und der Kraftmaschine 14 zugeleitet. Die Natriumchloridlösung braucht nicht gepumpt zu werden, da die Lösung durch den Osmoseschritt mit Druck beaufschlagt wird. Die druckbeaufschlagte Natriumchloridlösung wird zum Antreiben der Kraftmaschine 14 verwendet. Die erzeugte mechanische Energie kann in andere Energieformen, wie elektrische Energie, umgewandelt werden.
Die Natriumchloridlösung kann dann aus der Kraftmaschine 14 entfernt und in den Separator 16 eingeleitet werden. Im Separator 16 wird durch Verdampfung das Wasser aus der Natriumchloridlösung entfernt. Sobald das Wasser aus der Natriumchloridlösung entfernt ist, wird die Natriumchloridlösung zu der Osmosezelle 12 zur Wiederverwendung rückgeführt. Somit ist keine frische Natriumchloridlösung erforderlich, um die Natriumchloridlösung im Osmoseschritt aufzufüllen oder zu ersetzen.
Das durch den Verdampfungsschritt entfernte Wasser kann rückgewonnen und beispielsweise als Trinkwasser verwendet werden. Somit kann diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Entsalzen von Meerwasser verwendet werden.
Das Gerät 10 befindet sich in unmittelbarer Nähe eines herkömmlichen Kraftwerks 22. Das Kraftwerk 22 umfasst einen Dampfkessel 24, eine Kraftmaschine 26 (Dampfturbine) und ein Wärmeaggregat 28 (Kondensator in einem Kraftwerk).
Bei Verwendung wird Wasser über eine Pumpe 30 in den Dampfkessel 24 eingeleitet. Das Wasser wird in dem Dampfkessel 24 durch die Verbrennung von Kraftstoff 32 zum Erzeugen von Heißdampf erhitzt. Der Heißdampf wird dann bei hohem Druck der Kraftmaschine (Dampfturbine) 26 zugeleitet und zum Antreiben der Kraftmaschine 26 zum Erzeugen mechanischer Energie verwendet. Die mechanische Energie der Drehkraftmaschine 26 kann in andere Energieformen, wie elektrische Energie, umgewandelt werden.
Der Nassdampf oder Heißdampf wird dann aus der Kraftmaschine 26 rückgewonnen und in das Wärmeaggregat 28 geleitet. Im Wärmeaggregat wird der Dampf zu Wasser kondensiert. Die überschüssige Wärme aus dem Dampf wird zum Verdampfen von Wasser aus der Natriumchloridlösung des Geräts 10 verwendet. Somit wird die Natriumchloridlösung aus der Kraftmaschine 14 des Geräts 10 als Kühlmittel im Wärmeaggregat 28 des Kraftwerks 22 verwendet. Der Separator 16 des Geräts 10 entspricht daher effektiv dem Wärmeaggregat 28 des Kraftwerks 22.
Sobald der kondensierte Strom des Kraftwerks abgekühlt ist, wird er über die Pumpe 30 zum Dampfkessel 24 rückgeführt.
Dampf oder Wasser, der/das durch den Separator 16 aus der Natriumchloridlösung entfernt wurde, kann als Reinwassererzeugnis verwendet oder zur Einheit 10 rückgeführt werden.
Nun wird Bezug genommen auf 2 der Zeichnungen. Diese Figur veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren wird unter Verwendung eines Geräts 100 durchgeführt. Das Gerät 100 ist ähnlich zu dem Gerät 10 der 1, und gleiche Teile des Geräts wurden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Das Gerät 100 ist jedoch zur Verwendung in kalten Klimagegenden ausgebildet. So umfasst das Gerät 100, anders als das Gerät 10 der 1, einen Separator 116, bei dem es sich um einen Kristallisationsapparat handelt. Bei Verwendung wird eine aus der Kraftmaschine 14 austretende Lösung in den Separator 116 geleitet und durch die Umgebungstemperatur abgekühlt, um Eis und eine konzentrierte Natriumchloridlösung zu erzeugen. Das Eis wird entfernt und entsorgt, während die Natriumchloridlösung wieder zur Osmosezelle 12 rückgeführt wird.
Nun wird auf 3 der Zeichnungen Bezug genommen. Diese Figur veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren wird unter Verwendung eines Geräts 200 durchgeführt. Das Gerät 200 ist ähnlich zu dem Gerät 10 der 1, und gleiche Teile des Geräts wurden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Das Gerät 200 ist jedoch zur Verwendung in warmen Klimagegenden ausgebildet.
So umfasst das Gerät 100, anders als das Gerät 10 der 1, einen Separator 216, der sich einer natürlichen oder effektiven Verdampfung und/oder Solarenergie bedient, um das aus der Kraftmaschine 14 austretende Lösungsmittel aus der Lösung zu entfernen.

Claims

Verfahren zum Antreiben einer Kraftmaschine (14), wobei das Verfahren umfasst: a) Anordnen einer selektiven Membran (18) zwischen einer Flüssigkeit und einer Lösung mit einem höheren osmotischen Potential als dem der Flüssigkeit, so dass die Lösung durch das Einströmen von Flüssigkeit durch die Membran (18) mit Druck beaufschlagt wird, b) Übertragen des in der Lösung erzeugten Drucks über ein Druckaustauschsystem auf eine andere Flüssigkeit zum Antreiben einer Kraftmaschine, c) Rückgewinnen der Lösung, d) Abtrennen zumindest eines Teils des Lösungsmittels aus der Lösung unter Bildung eines Restprodukts und e) Rückführen des abgetrennten Lösungsmittels und/oder des Restprodukts aus Schritt d) zu Schritt a).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kraftmaschine (14) eine Drehkraftmaschine ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lösung eine wässerige Lösung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lösung eine Lösung eines Salzes ist, das unter Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Kaliumnitrat, Magnesiumsulfat, Magnesiumchlorid, Natriumsulfat, Calciumchlorid, Natriumcarbonat, Dinatriumhydrogenphosphat und Kaliumalaun ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die wässerige Lösung durch Lösen von Ammoniak und Kohlendioxid in Wasser erzeugt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei es sich bei der Lösung um eine wässerige Lösung von Ammoniak, Kohlendioxid, Ammoniumcarbonat, Ammoniumhydrogencarbonat und Ammoniumcarbamaten handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lösung eine Konzentration an Gelöstem von 1 bis 400 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Flüssigkeit aus der Gruppe ausgewählt ist, die Süßwasser, Salzwasser, Brackwasser und einen Abwasserstrom aus einem industriellen oder landwirtschaftlichen Verfahren umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Flüssigkeit das gleiche Lösungsmittel wie das Lösungsmittel der Lösung ist oder enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Lösungsmittel in Schritt d) durch ein thermisches Trennverfahren und/oder ein Membrantrennverfahren entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Lösungsmittel unter Anwendung eines Verfahrens entfernt wird, das unter Verdampfung, Destillation und Kristallisation ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Lösungsmittel durch mindestens ein Verfahren entfernt wird, das unter mehrstufiger Flashdestillation, Multi-Effekt-Destillation, mechanischer Dampfkompression und Schnellsprühentsalzung ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Lösungsmittel durch mindestens ein Verfahren entfernt wird, das unter Ionenaustausch, Elektrodialyse, Nanofiltration und Osmose ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zum Entfernen des Lösungsmittels in Schritt d) benötigte Energie durch Windkraft, Wärmeenergie aus der Umgebung, Solarenergie, geothermische Energie, Energie aus einem biologischen Prozess, Energie aus der Verbrennung eines Brennstoffs und/oder überschüssige Wärme aus Kraftwerken und anderen industriellen Prozessen bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Teil des in Schritt d) zurückgewonnenen Lösungsmittels wieder einer Flüssigkeit für Schritt a) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das die Verwendung des in der Lösung erzeugten Drucks zum Transferieren der Lösung zu einem höher liegenden Ort und die Verwendung der potentiellen Energie der an einem höher liegenden Ort befindlichen Lösung zum Antreiben der Kraftmaschine umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lösung aus Schritt a) auf eine größere Höhe transferiert wird, wo die Umgebungstemperatur (i) niedrig genug ist, dass zumindest ein Teil des Gelösten in der Lösung kristallisiert, oder (ii) unter dem Gefrierpunkt des Lösungsmittels liegt, so dass das Lösungsmittel kristallisiert, so dass die Lösung in einen Anteil mit einer niedrigen Konzentration an Gelöstem und einen Anteil mit einer hohen Konzentration an Gelöstem getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem jeder der Anteile auf Grundniveau zurückgeführt wird, so dass die potentielle Energie jedes der Anteile zum Antreiben der Kraftmaschine (14) verwendet werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zum Abtrennen des Lösungsmittels von der Lösung in Schritt d) benötigte Wärmeenergie durch Komprimieren und Entspannen eines Gases aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die selektive Membran (18) von Schritt a) eine mittlere Porengröße von 1 bis 60 Ångström und vorzugsweise von 12 bis 50 Ångström aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mit Druck beaufschlagte Lösung aus Schritt (a) auf einer Seite einer weiteren selektiven Membran angeordnet ist und eine weitere Lösung mit einem höheren osmotischen Potential als dem der mit Druck beaufschlagten Lösung auf der anderen Seite der Membran angeordnet ist, so dass die weitere Lösung durch das Einströmen von Flüssigkeit durch die Membran mit Druck beaufschlagt wird.