RU2106187C1

RU2106187C1 - Apparatus for spontaneous purification of water from salts dissolved therein

Info

Publication number: RU2106187C1
Application number: SU4812056A
Authority: RU
Inventors: А.А. Васильченко
Original assignee: Украинский научно-исследовательский институт природных газов
Priority date: 1990-04-09
Filing date: 1990-04-09
Publication date: 1998-03-10

Abstract

FIELD: water purification. SUBSTANCE: apparatus employs asymmetrical semipermeable clayey membrane. EFFECT: higher efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к мембранной технологии, а именно к способам осуществления процесса самопроизвольной очистки жидкости. The invention relates to membrane technology, and in particular to methods for implementing the process of spontaneous liquid purification.

В качестве прототипа выбрано устройство, представляющее собой мембрану для осуществления процесса самопроизвольной очистки жидкостей по методу аномального осмоса. Поры в мембранном устройстве по прототипу одинаковые по размеру как со стороны раствора, так и растворителя (Кульчицкий Л.И. и др. Влияние аномальной вязкости поровых растворов в микрокапиллярах глин на процесс диффузионного переноса ионов. - Коллоидный журнал, 1975, т. 37, N 5, с. 878-884). As a prototype of the selected device, which is a membrane for the process of spontaneous purification of liquids by the method of abnormal osmosis. The pores in the prototype membrane device are the same in size both on the solution side and on the solvent side (Kulchitsky L.I. et al. Effect of anomalous viscosity of pore solutions in clay microcapillaries on the process of ion diffusion transfer. - Colloid Journal, 1975, v. 37, N 5, p. 878-884).

Установлено, что сущность аномального осмоса состоит в проявлении энтропоосмоса - самодвижения жидкости в направлении роста ее структурной организованности, т.е. против градиента структурной организованности. Явление энтропоосмоса, как и действие поля тяготения в приведенном аналоге, относится к антиэнтропийным факторам, обеспечивающим протекание процессов самоорганизации в неживой природе. В опытах по аномальному осмосу в порах мембраны, разделяющей раствор и воду, возникает асимметрия относительно параметра структурной организованности воды вследствие того, что ионы солей разрушают граничные слои воды на поверхности пор (сначала только со стороны раствора) и тем самым понижают уровень структурной организованности воды со стороны раствора. В результате по толщине мембраны формируется градиент структурной организованности воды, направленный к объему с раствором, в соответствии с которым зарождается энтропоосмотический поток воды в объем с чистой водой. It has been established that the essence of abnormal osmosis consists in the manifestation of entropoosmosis - self-movement of fluid in the direction of growth of its structural organization, i.e. against the gradient of structural organization. The phenomenon of entropoosmosis, as well as the effect of the gravitational field in the given analogue, refers to anti-entropic factors that ensure the course of self-organization in inanimate nature. In experiments on abnormal osmosis in the pores of the membrane separating the solution and water, asymmetry arises with respect to the parameter of the structural organization of water due to the fact that salt ions destroy the boundary layers of water on the surface of the pores (first only from the solution side) and thereby reduce the level of structural organization of water from sides of the solution. As a result, a gradient of structural organization of water is formed across the thickness of the membrane, directed towards the volume with the solution, in accordance with which an entropoosmotic flow of water into the volume with pure water is generated.

Способ очистки жидкостей по методу аномального осмоса при помощи мембраны с симметричными порами позволяет понижать концентрацию раствора без затрат энергии. The method of purification of liquids by the method of abnormal osmosis using a membrane with symmetrical pores allows you to lower the concentration of the solution without the consumption of energy.

Недостатками указанного способа являются низкая производительность (единицы миллилитров в сутки), низкая степень очистки и небольшая продолжительность функционирования мембраны вследствие того, что по мере выравнивания концентрации в мембране происходят "проскок" ионов в объеме с чистой водой, а также исчезновение градиента структурной организованности воды и прекращение процесса аномального осмоса. The disadvantages of this method are low productivity (units of milliliters per day), low degree of purification and short duration of membrane functioning due to the fact that as the concentration in the membrane becomes equal, ions “slip” in the volume with pure water, as well as the disappearance of the gradient of structural organization of water and cessation of abnormal osmosis.

Кроме того, известно применение асимметричных полупроницаемых мембран для принудительной очистки жидкостей по методу обратного осмоса (авт. св. СССР N 894923, кл. B 01 D 13/00). Асимметрия ядерных фильтров Флерова обусловлена заданной геометрической формой пор. При осуществлении способа очистки по методу обратного осмоса асимметричные полупроницаемые мембраны с коническими порами, изготовленные из любого материала (металл, керамика, стекло, пластмасса и др. ) устанавливают узкой частью к объему с раствором, чтобы предохранить широкую часть пор от засорения (Брок Т. Мембранная фильтрация. - М.: Мир, 1987, с. 87). In addition, it is known the use of asymmetric semipermeable membranes for forced cleaning of liquids by the reverse osmosis method (ed. St. USSR N 894923, class B 01 D 13/00). The asymmetry of Flerov’s nuclear filters is determined by the given geometric shape of the pores. In the reverse osmosis purification method, asymmetric semi-permeable conical pore membranes made of any material (metal, ceramic, glass, plastic, etc.) are installed narrowly to the solution volume to prevent a wide part of the pores from clogging (Brock T. Membrane Filtration .-- Moscow: Mir, 1987, p. 87).

Недостатками применения асимметричных полупроницаемых мембран для очистки жидкостей по методу обратного осмоса являются большие энергетические затраты, короткий срок службы (1 год), а также сложное аппаратурное оформление. The disadvantages of using asymmetric semi-permeable membranes for cleaning liquids by the reverse osmosis method are the high energy costs, short service life (1 year), and complex hardware design.

Цель данного изобретения - повышение производительности процесса самопроизвольной очистки жидкости, расширение области применения, упрощение аппаратурного оформления, а также обеспечение непрерывности и селективности процесса. The purpose of this invention is to increase the productivity of the process of spontaneous liquid cleaning, expanding the scope, simplifying the hardware design, as well as ensuring the continuity and selectivity of the process.

Указанную цель достигают за счет применения асимметричных полупроницаемых мембран в качестве устройства для осуществления процесса самопроизвольной очистки жидкостей по методу аномального осмоса. Для этого применяют полупроницаемые мембраны, асимметрия которых обусловлена конической формой пор. Одновременное наличие у мембран свойств асимметричности относительно параметра структурной организованности, заданной геометрией пор, а также полупроницаемости обеспечивают, во-первых, формирование самопроизвольного потока жидкости из раствора в чистый растворитель (если узкая часть пор мембраны обращена к объему с чистым растворителем) и, во-вторых, высокую селективность, поскольку через полупроницаемую мембрану проходят только частицы растворителя. This goal is achieved through the use of asymmetric semipermeable membranes as a device for the spontaneous purification of liquids by the method of abnormal osmosis. For this, semi-permeable membranes are used, the asymmetry of which is due to the conical shape of the pores. The simultaneous presence of asymmetric properties of membranes with respect to the structural organization parameter specified by the pore geometry and also semi-permeability ensure, firstly, the formation of a spontaneous fluid flow from solution to a pure solvent (if the narrow part of the pores of the membrane faces the volume with a pure solvent) and, secondly, high selectivity, since only solvent particles pass through the semipermeable membrane.

Сущность технологии самопроизвольной очистки жидкостей за счет применения асимметричных полупроницаемых мембран, а также порядок пользования ими поясняются чертежом. The essence of the technology of spontaneous purification of liquids through the use of asymmetric semipermeable membranes, as well as the procedure for using them are illustrated in the drawing.

Устройство представляет собой резервуар 1, форма которого произвольна или задана жесткой подложкой; 2 - трубка для отвода очищенной жидкости. Стенка резервуара - это асимметричная полупроницаемая мембрана, широкая часть пор которой обращена к очищаемой жидкости (А - увеличенный фрагмент мембраны). The device is a reservoir 1, the shape of which is arbitrary or defined by a rigid substrate; 2 - a pipe for draining the purified liquid. The wall of the tank is an asymmetric semipermeable membrane, the wide part of the pores of which is facing the fluid being cleaned (A is an enlarged fragment of the membrane).

Пример 1. В лабораторных условиях была получена асимметричная полупроницаемая мембрана путем напыления глинопорошков через сито в обойму диаметром 3 см. Слои глинистых минералов равной толщины напыляли в следующей последовательности: каолинит, смесь каолинита с вермикулитом в соотношении 2:1, затем 1:1 и 1:2, чистый вермикулит, смесь вермикулита с палыгорскитом в соотношении 2:1, затем 1:1 и 1:2, чистый палыгорскит, смесь палыгорскита с бентонитом в соотношении 2:1, затем 1:1 и 1:2, чистый бентонит. Далее произвели полную гидратацию пресной воды и на прессе отжали избыточное количество воды путем постепенного увеличения давления до 2,5 МПа в течение 4 ч. Example 1. In laboratory conditions, an asymmetric semipermeable membrane was obtained by spraying clay powders through a sieve into a cage with a diameter of 3 cm. Layers of clay minerals of equal thickness were sprayed in the following sequence: kaolinite, a mixture of kaolinite and vermiculite in a ratio of 2: 1, then 1: 1 and 1 : 2, pure vermiculite, a mixture of vermiculite with palygorskite in a ratio of 2: 1, then 1: 1 and 1: 2, pure palygorskite, a mixture of palygorskite with bentonite in a ratio of 2: 1, then 1: 1 and 1: 2, pure bentonite. Then, the fresh water was completely hydrated and the excess water was squeezed out on the press by gradually increasing the pressure to 2.5 MPa over 4 hours.

Затем глинистую мембрану поместили в кернодержатель установки УИПК-1М и привели в контакт с чистой водой со стороны ее бентонитового слоя и с 5%-ным раствором хлористого кальция со стороны каолинитового слоя. За время эксперимента объем чистой воды увеличился на 5 см³. В отобранной пробе воды присутствие ионов кальция не установлено. Таким образом, давление прессования глинистой мембраны 2,5 МПа обеспечило полупроницаемые свойства бентонитового слоя, а подбор глинистых минералов с различной величиной частиц обусловил уменьшение среднего диаметра пор в направлении от каолинитового слоя к бентонитовому. Переток воды из раствора в чистую воду подтвердил возможность применения асимметричных полупроницаемых мембран в качестве устройства для осуществления самопроизвольной очистки жидкостей.Then the clay membrane was placed in the core holder of the UIPK-1M installation and brought into contact with pure water from the side of its bentonite layer and with a 5% solution of calcium chloride from the side of the kaolinite layer. During the experiment, the volume of pure water increased by 5 cm ³ . The presence of calcium ions has not been established in the selected water sample. Thus, the pressing pressure of the clay membrane of 2.5 MPa provided semipermeable properties of the bentonite layer, and the selection of clay minerals with different particle sizes caused a decrease in the average pore diameter in the direction from the kaolinite layer to the bentonite layer. The flow of water from the solution into pure water confirmed the possibility of using asymmetric semipermeable membranes as a device for the spontaneous purification of liquids.

Пример 2. У морских птиц, черепах и других животных самопроизвольное обессоливание осуществляется при помощи полупроницаемых мембран с носовой гланде. При этом поступающая морская вода разделяется на рассол с концентрацией в 5 раз большей, чем в морской воде и пресную воду, усваиваемую организмом (Оприш Т. Занимательная бионика. Бухарест: Альбатрос, 1986, с. 123). Поскольку ничего похожего на обратный осмос или дистилляцию в носовой гланде не происходит, то можно говорить об использовании самопроизвольного процесса очистки жидкости, который возможен при наличии свойства асимметрии у полупроницаемых мембран. Example 2. In seabirds, turtles and other animals, spontaneous desalination is carried out using semipermeable membranes with a nasal gland. In this case, the incoming sea water is divided into brine with a concentration 5 times higher than in sea water and fresh water absorbed by the body (Oprish T. Entertaining bionics. Bucharest: Albatross, 1986, p. 123). Since nothing similar to reverse osmosis or distillation occurs in the nasal gland, we can talk about using a spontaneous liquid purification process, which is possible if asymmetry is present in semipermeable membranes.

Для реализации заявляемого изобретения в наибольшей степени подходят ядерные фильтры Флерова (авт. св. СССР N 894923) с конической формой пор, изготовленные из тонкого материала (толщина 5-12 мкм). To implement the claimed invention, Flerov’s nuclear filters (ed. St. USSR N 894923) with a conical pore shape made of thin material (thickness 5-12 μm) are most suitable.

В изобретении решается новая задача - осуществление процесса самопроизвольной очистки жидкости при помощи известного устройства на основе новых теоретических представлений об аномальном осмосе. Это дает основание сделать вывод о том, что новое техническое решение отвечает критерию "существенные отличия". Об этом так же свидетельствуют результаты патентного и литературного поиска. The invention solves a new problem - the implementation of the process of spontaneous liquid purification using a known device based on new theoretical concepts of abnormal osmosis. This gives reason to conclude that the new technical solution meets the criterion of "significant differences". This is also evidenced by the results of patent and literary searches.

Преимущественной областью применения изобретения является очистка промышленных стоков, регенерация растворителей в химической промышленности и, главным образом, опреснение морской воды. Широкое применение недорогих асимметричных полупроницаемых мембран из тонких пленок позволит уже в ближайшее время существенно облегчить решение экологических, социальных и экономических проблем. An advantageous field of application of the invention is the treatment of industrial effluents, the recovery of solvents in the chemical industry, and mainly the desalination of sea water. The widespread use of inexpensive asymmetric semipermeable membranes from thin films will in the near future significantly facilitate the solution of environmental, social and economic problems.

Таким образом, применение асимметричных полупроницаемых мембран толщиной, измеряемой микрометрами, для осуществления процесса самопроизвольной очистки жидкостей позволит:
повысить производительность процесса, которая тем выше, чем тоньше мембрана;
расширить область применения и упростить аппаратурное оформление, так как для осуществления процесса требуется всего лишь устройство (резервуар со стенками из асимметричной полупроницаемой мембраны) привести в контакт с очищаемой жидкостью;
обеспечить перерывность и селективность процесса, поскольку асимметрия и полупроницаемые свойства мембраны обусловлены геометрической формой пор.Thus, the use of asymmetric semipermeable membranes with a thickness measured by micrometers for the process of spontaneous cleaning of liquids will allow:
to increase the productivity of the process, which is higher, the thinner the membrane;
expand the scope and simplify the hardware design, since the process requires only a device (a tank with walls of an asymmetric semipermeable membrane) to contact with the liquid being cleaned;
ensure intermittent and selectivity of the process, since the asymmetry and semipermeable properties of the membrane are due to the geometric shape of the pores.

Экономический эффект от внедрения изобретения будет заключаться, главным образом в экономии энергетических затрат. Если даже пренебречь разницей в затратах на сооружение и обслуживание промышленных устройств для опреснения воды по наиболее экономичному обратноосмотическому способу и по заявляемому методу аномального осмоса, то экономия затрат энергии при производстве 1 млн.м³ пресной воды составит
1,362 кВт•ч/м³ • 10⁶ м³ = 1362 МВт•ч.The economic effect of the implementation of the invention will consist mainly in saving energy costs. Even if we neglect the difference in the cost of construction and maintenance of industrial devices for desalination of water according to the most economical reverse osmosis method and the claimed method of abnormal osmosis, the energy cost savings in the production of 1 million m ^{3 of} fresh water will be
1,362 kW • h / m ³ • 10 ⁶ m ³ = 1362 MW • h

Claims

The use of a clay semipermeable asymmetric membrane as a device for spontaneous purification of water from salts dissolved in it.