EA003657B1 - Способ выделения конденсируемых веществ из газов или газовых смесей - Google Patents

Abstract

Изобретение касается способа выделения конденсируемых веществ из газов или газовых смесей, такого как выделение воды из атмосферного воздуха, в частности касается выделения питьевой воды. Воздух конденсируют на данном материале, имеющем указанную структуру пор, подходящую для капиллярной конденсации. Вовлеченные энергии связывания ниже, чем энергии связи, продуцируемые при адсорбционной конденсации.

Description

Изобретение касается способа выделения конденсируемых веществ из газов или газовых смесей, в частности выделения воды из воздуха с применением пористых материалов.

Многие участки земли, в особенности засушливые районы, такие как зона сахеля или тропические пустыни, находящиеся на значительном расстоянии от моря, испытывают недостаток в резервах питьевой воды. Помимо транспортировки питьевой воды единственной другой возможностью является получение ее из влажного воздуха. В этой связи известна прямая конденсация воздуха ниже точки росы и адсорбция воды цеолитами, активированным углем или силикагелями, см., например, ΌΕ-Ρ8 2660 068. Накопленную таким способом воду экстрагируют из вещества нагреванием и затем конденсируют.

Известные способы не особенно эффективны в смысле реального выхода воды, поскольку регенерация влаги, поглощенной материалом, должна преодолевать высокие энергии связывания либо исключительно ориентирована на ежедневное заполнение абсорбента (см. ΌΕ 44 30 901 С1 и ЕР 0003064 А1). Здесь адсорбция происходит, главным образом, ночью, а десорбция днем, при этом воздух нагревают непосредственно, прибегая к гелиоколлекторам, либо косвенно, с применением тепловых аккумуляторов. Затем производят извлечение воды в дневное время (ЕР 0003 964 А1) или ночное, используя каскадное включение (ΌΕ 4430901). Кроме того, известный способ с затратой энергии на регенерацию адсорбентов состоит в использовании электрической энергии с применением стенных аккумуляторных пластин или электродов (ΌΕ 196 13 326 А1).

Способ капиллярной конденсации, давно известный из релевантной литературы (ΒΚΠΝΑυΕΚ ЗЮрбсп. с1 а1.: 8оше Решагк аЬои! СарШагу Сопйепкайоп апй Роге 81гие1иге АпаКШ. 1п: 1оигпа1 оГ Со11о1й апй 1п1егГасе 8е1епее, Уо1. 25, р. 353-358: КАЭБУС. О., ΌυΒΙΝΙΝ: М.М.: Сошшепй оп 1бе Ышйя оГ АррБсаЬййу оГ 1бе Месбапкш оГ СарШагу Сопйепкайоп. Ιη: 1оигпа1 оГ Со11о1й апй 1п1егГасе 8с1епсе, Уо1. 31, № 4, Иес. 1969. р. 479-489), до сих пор использовался только для экстракции растворителей из газов (ΌΕ 2843416 А1, ΌΕ 196 13326 А1) без учета потенциальной возможности его использования для улучшенной десорбции.

Цель данного изобретения состоит в создании способа выделения конденсируемых веществ из газов (и газовых смесей), работающего более эффективно, чем известные способы.

Способ по данному изобретению отличается тем, что используются материал или вещества, подходящие для капиллярной конденсации, которые особенно удовлетворяют местному климату (рабочим условиям) и позволяют оптимальные регенерационные выходы. Отличительная черта изобретения состоит, таким образом, в выборе подходящего материала и его внутренней структуры. Вместо ранее используемого материала, который был нацелен на адсорбционные свойства, теперь выбран материал, с которым возможна так называемая капиллярная конденсация, что позволяет достигать высоких выходов на удельный объем посредством более коротких циклов регенерации. Особенность также выражается в соответствии капиллярной структуры адсорбента адсорбату и среде (газовой), содержащей адсорбат, или внешним условиям.

Конденсация происходит за счет капиллярного давления вследствие существующих радиусов пор, при этом внутреннюю капиллярную структуру подбирают так, чтобы обеспечить оптимальное связывание воды на удельный объем, например, для соответствующих климатических условий, и высокие выходы благодаря кратковременной регенерации (более 6 за ночь). Таким образом, силы связывания, преодолеваемые при регенерации влаги, значительно слабее, чем связывание за счет предшествующей адсорбции или неопределённой капиллярной конденсации. Новым способом извлечение питьевой воды из воздуха может быть выполнено вполне эффективно и больше не ограничено одной регенерацией на адсорбционное тело и день. Возможны также другие применения, такие как извлечение растворителей.

Предпочтительно применяется гидрофобный материал. Это ограничивает поглощение жидкости путем адсорбции.

Вещество может быть извлечено с применением комбинации возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, устройства для преобразования световой и солнечной энергии в электроэнергию, энергия ветра, и/или дополнительным аккумулированием такой энергии соответствующими аккумуляторами.

Материал обладает микропорами и/или мезопорами, размер которых находится в пределах от 4 до 20 А или от 20 до 500 А соответственно. Преимущества состоят в использовании материала, имеющего различные размеры пор, оптимально удовлетворяющего географическому району. Таким способом могут быть учтены различные степени влажности воздуха и установлены оптимальные условия регенерации.

Тщательным подбором подходящего материала можно также достигать селективного разделения веществ.

Другие преимущества изобретения сформулированы в приложенных пунктах и остальной части описания. Далее способ дополнительно иллюстрируется примером.

В способе выделения воды из атмосферного воздуха, в частности выделения питьевой воды, на первой стадии поток влажного воздуха из атмосферы в областях пустыни предпочтительно ночью пропускают через массу микро3 пористого материала для переноса содержащейся в воздухе влаги на микропористый материал путем капиллярной конденсации. Подходящие для применения материалы:

керамика, активированный древесный уголь, активированная окись алюминия, синтетические цеолиты, адсорбирующие полимеры, адсорбирующие смолы, молекулярные сита, силикагель, целлюлозные материалы, соединения вышеуказанных веществ и смеси материалов.

Вышеуказанные материалы можно использовать потому, что они имеют распределение пор и радиусы пор, подходящие для капиллярной конденсации. В частности, присутствуют соответствующие микропоры и/или мезопоры особого размера. При применении в климатических условиях зоны сахеля приблизительно 60% материала обладает радиусами пор от 40 до 200 А. Радиусы пор оставшейся части материала выходят за рамки этих пределов, но предпочтительно находятся между 4 и 500 А.

На второй стадии материал нагревают для испарения вещества. С этой целью по одному из вариантов выполнения циркулирующий в замкнутом цикле воздушный поток нагревают воздухонагревателем за счет предварительно аккумулированной солнечной энергии, или энергии ветра, или тут же вырабатываемой энергии солнца или ветра и пропускают через фильтр, заполненный материалом, чтобы возвратить микропористому материалу компонент энергии, высвобождаемый во время капиллярной конденсации. По способу водяной пар, связанный с материалом, выделяется и поглощается циркулирующим потоком воздуха. Струю воздуха, насыщенную таким образом водяным паром, пропускают через конденсатор, включенный в цикл, и водяной пар конденсируется из воздуха.

По другому варианту выполнения согласно способу изобретения материал нагревают с помощью электричества для выпаривания вещества. Это возможно осуществить путем применения электропроводящего материала, например с использованием электропроводящей керамики в качестве адсорбента. Материал может быть соединен с источником напряжения, питающимся от аккумулированной солнечной энергии. Прохождение тока в материале может также быть вызвано путем индукции. В любом случае выгодно использовать материал с хорошей теплопроводностью.

Еще в одном варианте выполнения способа по изобретению вещество нагревают в материале применением микроволн до достижения точки испарения. В этом случае выгодно использовать неметаллический материал.

Благодаря оптимальной внутренней структуре адсорбирующего материала адсорбция и десорбция вещества предпочтительно выполняются циклическим способом, например многократно в течение ночи. Также возможно и удобно выполнение более 6 циклов за ночь, с осуществлением только части адсорбции и десорбции от всей предназначенной для выполнения в течение установленного срока. В зависимости от внутренней структуры эта порция содержит фракцию наибольшего удельного водного объема. Таким образом за ночь может быть выделено более 600 л воды на тонну адсорбента. Таким образом к началу дня получают вновь извлеченное вещество (питьевую воду).

Выделение воды из соответствующего материала (регенерация) требует значительно меньшей массы адсорбента, чем в случае настоящего способа, включающего десорбцию водяного пара из обычных цеолитов (подходящих для адсорбции) или силикагелей. В этом отношении материал обладает ограниченным распределением радиуса пор и тем самым оптимизирован для его конкретного применения (температуры, влажности и давления воздуха в районе выделения воды).

В особенности приемлем материал в форме гранул, шариков или веществ для набивки указанной структуры. Возможны также другие формы.

Claims (11)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ выделения конденсируемых веществ из газа или газовой смеси с использованием пористых адсорбентов, отличающийся тем, что на этапах десорбции, чередующихся с этапами адсорбции, осуществляют выделение только части адсорбированного вещества, осаждение которой вызвано проявлением эффекта капиллярной конденсации, имеющего место в порах адсорбента.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пористый материал имеет микропоры и/или мезопоры.
3. 3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что материал может быть гидрофильным, а также гидрофобным материалом.
4. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что материал включает гранулы, шарики или вещества для набивки указанной структуры.
5. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что капиллярную конденсацию и последующую регенерацию осуществляют циклически ночью или капиллярную конденсацию осуществляют ночью, а регенерацию днем.
6. 6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что для выделения воды из атмосферного воздуха на первой стадии поток прохладного влажного воздуха из атмосферы пропускают через фильтр с микропористым или мезопористым материалом для переноса содержащейся в воздухе влаги на материал путем капиллярной конденсации, на второй стадии воздушный поток нагревают воздухонагревателем за счет, в частности, предварительно аккумулированной солнечной энергии, или энергии ветра, или тут же вырабатываемой энергии солнца или ветра, и пропускают через фильтр, наполненный материалом, для переноса водяного пара, связанного с материалом, в поток воздуха, и, наконец, струю воздуха, насыщенную таким образом водяным паром, пропускают через конденсатор и водяной пар конденсируют из воздуха.
7. 7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что материал является электропроводящим или имеет электрические проводники, в частности решетку из электрических проводников.
8. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что регенерацию вещества из материала осуществляют, в частности, из-за происходящего в материале электронагрева.
9. 9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что регенерацию вещества из материала осуществляют нагреванием (вещества или материала) с применением микроволн.
10. 10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что приблизительно 60% материала обладает радиусами пор между 40 и 200 А и оставшийся материал имеет различные радиусы пор, но предпочтительно между 4 и 500 А.
11. 11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что его применяют для выделения воды из воздуха.