RU2778446C1 - Seawater desalination plant - Google Patents

Seawater desalination plant Download PDF

Info

Publication number
RU2778446C1
RU2778446C1 RU2021137924A RU2021137924A RU2778446C1 RU 2778446 C1 RU2778446 C1 RU 2778446C1 RU 2021137924 A RU2021137924 A RU 2021137924A RU 2021137924 A RU2021137924 A RU 2021137924A RU 2778446 C1 RU2778446 C1 RU 2778446C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
chamber
zone
permeate
diaphragm
output
Prior art date
Application number
RU2021137924A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Максим Александрович Крашенинин
Александр Сергеевич Щеголеватых
Original Assignee
Акционерное общество "Концерн "Созвездие"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Концерн "Созвездие" filed Critical Акционерное общество "Концерн "Созвездие"
Application granted granted Critical
Publication of RU2778446C1 publication Critical patent/RU2778446C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: water purification.
SUBSTANCE: invention relates to the desalination of salty sea and lake waters, as well as the production of concentrated solutions of various substances. The seawater desalination plant contains a chamber with two parallel diaphragms installed along and symmetrically relative to the walls of the chamber for cleaning from dissolved salts, dividing the chamber into two zones, as well as two electrodes of different polarity. The reverse osmotic membrane is located inside the second zone of the chamber bounded by two diaphragms, which is connected to a variable capacity pump for pumping permeate. The first zone of the chamber is divided into two halves united by a branch pipe: right and left relative to the direction of the seawater flow. The two outputs of the positive and negative poles of the control unit are connected to the first and second electrodes located on the outside of the chamber to the two halves of the first zone, respectively. The output of the control unit is connected to a variable capacity pump for pumping permeate, and the first and second inputs are connected, respectively, to a permeate conductivity sensor and a concentrate pH meter. The output of the first zone is the output of the concentrate.
EFFECT: efficiency and duration of operation of the device is ensured.
5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к опреснению соленых морских и озерных вод, а также получению концентрированных растворов различных веществ.The invention relates to the desalination of saline sea and lake waters, as well as the production of concentrated solutions of various substances.

Известные способы опреснения морской воды делятся на две группы:Known methods of desalination of sea water are divided into two groups:

1 - испарение с последующей конденсацией водяного пара;1 - evaporation followed by condensation of water vapor;

2 - электрохимические.2 - electrochemical.

Первая группа способов опреснения морской воды описана, например, в патенте РФ №2554720, С02F 1/04 , в патенте RU 189357, С02F 1/04 «Установка опреснения морской воды и выработки электрической энергии», которая производит опреснение морской воды и выработку электрической энергии, а также удаление из морской воды части растворенных соединений и примесей и способствует уменьшению отложения солей на теплообменных поверхностях многоступенчатого испарителя.The first group of seawater desalination methods is described, for example, in the patent of the Russian Federation No. 2554720, С02F 1/04 , in the patent RU 189357, С02F 1/04 "Installation of seawater desalination and power generation", which produces seawater desalination and power generation , as well as the removal of part of the dissolved compounds and impurities from sea water and helps to reduce the deposition of salts on the heat exchange surfaces of the multistage evaporator.

Недостатком устройств, описанных в патенте РФ№2554720 и патенте RU 189357, С02F 1/04 «Установка опреснения морской воды и выработки электрической энергии» является большие энергетические затраты на испарение и конденсацию водяного пара.The disadvantage of the devices described in the patent of the Russian Federation No. 2554720 and patent RU 189357, С02F 1/04 "Installation of sea water desalination and power generation" is the high energy costs for the evaporation and condensation of water vapor.

Вторая группа установок опреснения представлена в патентах РФ 2240177, В01D 61/06 «Мембранная установка опреснения морской воды (варианты)» и 2225369, С02F 9/08 «Способ очистки природных вод».The second group of desalination plants is presented in RF patents 2240177, B01D 61/06 "Membrane seawater desalination plant (options)" and 2225369, C02F 9/08 "Method of natural water purification".

Мембраны этой группы функционируют на основе обратного осмоса. Oсмос -проникновение (диффузия) молекул растворителя в раствор сквозь непроницаемую для растворенных веществ мембрану, отделяющую раствор от чистого растворителя или от раствора с меньшей концентрацией (см. Энциклопедический словарь, том 2, М.: ГНИ «Большая советская энциклопедия». 1956, с.569. Обратный осмос - это обратный процесс, т.е. проникновение растворителя из концентрированного раствора сквозь непроницаемую для растворенных веществ мембрану. На выходе получается пермеат, т.е. менее концентрированный раствор по сравнению с исходной водой.The membranes of this group operate on the basis of reverse osmosis. Osmosis is the penetration (diffusion) of solvent molecules into a solution through a membrane impermeable to solutes that separates the solution from a pure solvent or from a solution with a lower concentration (see Encyclopedic Dictionary, volume 2, M .: GNI "Great Soviet Encyclopedia". 1956, p. .569 Reverse osmosis is a reverse process, i.e. the penetration of a solvent from a concentrated solution through a membrane impermeable to dissolved substances.The output is a permeate, i.e. a less concentrated solution compared to the original water.

Упомянутый способ очистки природных вод включает две стадии механической обработки, опреснение обратным осмосом и бактерицидную обработку, причем бактерицидную обработку проводят хлорированием перед механической обработкой воды, затем после двух стадий механической обработки проводят дехлорирование сульфитом натрия, далее воду очищают микрофильтрацией и добавляют ингибитор, опреснение обратным осмосом проводят в две стадии, после первой стадии концентрат сбрасывают, а в пермеат добавляют ингибитор и едкий натр, повышая pH до 10,4, затем проводят вторую стадию опреснения обратным осмосом, причем концентрат после второй стадии обратного осмоса подмешивают в поток на вход первой стадии опреснения, а в пермеат добавляют кислоту и пропускают его через фильтры-кондиционеры с кальциево-магниевой загрузкой. Кроме этого часть пермеата (опресненной воды) после первой стадии опреснения обратным осмосом может быть направлена на вход фильтров-кондиционеров, часть пермеата после второй стадии опреснения обратным осмосом может быть подмешана к выходному потоку из фильтров-кондиционеров.The mentioned method of purification of natural waters includes two stages of mechanical treatment, desalination by reverse osmosis and bactericidal treatment, and bactericidal treatment is carried out by chlorination before mechanical treatment of water, then after two stages of mechanical treatment, dechlorination is carried out with sodium sulfite, then the water is purified by microfiltration and an inhibitor is added, desalination by reverse osmosis carried out in two stages, after the first stage the concentrate is discarded, and an inhibitor and caustic soda are added to the permeate, increasing the pH to 10.4, then the second stage of reverse osmosis desalination is carried out, and the concentrate after the second stage of reverse osmosis is mixed into the stream at the inlet of the first stage of desalination , and acid is added to the permeate and passed through filter-conditioners with a calcium-magnesium load. In addition, part of the permeate (desalted water) after the first stage of desalination by reverse osmosis can be sent to the inlet of filter conditioners, part of the permeate after the second stage of desalination by reverse osmosis can be mixed with the output stream from filter conditioners.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является устройство, описанное в патенте РФ №2155718, С02F 1/467 «Установка для снижения минерализации и обеззараживания питьевой воды», принятое в качестве прототипа.The closest analogue in terms of technical essence to the proposed one is the device described in RF patent No. 2155718, С02F 1/467 "Installation for reducing salinity and disinfection of drinking water", taken as a prototype.

На фиг.1 представлена схема устройства-прототипа, где обозначено:Figure 1 shows a diagram of a prototype device, where indicated:

1 - камера электрохимического реактора;1 - chamber of the electrochemical reactor;

2, 3 - первая и вторая диафрагмы;2, 3 - first and second diaphragms;

5, 12 - первый и второй аноды;5, 12 - the first and second anodes;

6 - катод;6 - cathode;

13 - изолятор.13 - insulator.

Установка для снижения минерализации и обеззараживания состоит из камеры электрохимического реактора 1 длиной L=(20...30)t, где

Figure 00000001
, мм, где
Figure 00000002
- значение напряжения в вольтах на катоде и аноде первой 2 и второй 3 мембран, расположенных вдоль и симметрично относительно стенок камеры электролитического реактора 1, длина мембран равна длине стенок камеры реактора и расстояние между мембранами равно t; первого анода 5 длиной (3...5)t, расположенного между мембранами на расстоянии от второй мембраны 3, равном 0,5t; второго анода 12 длиной L=(20...30)t- (3...3)t, который расположен между первой мембраной 2 и стенкой камеры реактора 1, и расстояние от второго анода 12 до продольной оси камеры реактора вдоль этой оси (от первого анода 5) линейно увеличивается от 0,5t до 1,5t; катода 6, который расположен между второй мембраной 3 и стенкой корпуса реактора 1, расстояние от первого анода 5 до катода 6 равно t и расстояние от катода 6 до второго анода 2 вдоль оси реактора, от входа к выходу, линейно увеличивается от 1,5t до 3t.The installation for reducing mineralization and disinfection consists of a chamber of an electrochemical reactor 1 with a length L=(20...30)t, where
Figure 00000001
, mm, where
Figure 00000002
- voltage value in volts at the cathode and anode of the first 2 and second 3 membranes located along and symmetrically relative to the walls of the chamber of the electrolytic reactor 1, the length of the membranes is equal to the length of the walls of the reactor chamber and the distance between the membranes is equal to t; the first anode 5 with a length of (3...5)t, located between the membranes at a distance from the second membrane 3, equal to 0.5t; the second anode 12 with the length L=(20...30)t-(3...3)t, which is located between the first membrane 2 and the wall of the reactor chamber 1, and the distance from the second anode 12 to the longitudinal axis of the reactor chamber along this axis (from the first anode 5) increases linearly from 0.5t to 1.5t; cathode 6, which is located between the second membrane 3 and the wall of the reactor vessel 1, the distance from the first anode 5 to the cathode 6 is equal to t and the distance from the cathode 6 to the second anode 2 along the reactor axis, from inlet to outlet, increases linearly from 1.5t to 3t.

Установка работает следующим образом.The installation works as follows.

Водопроводная вода через вход поступает в камеру электрохимического реактора 1 и после заполнения его водой включается источник постоянного напряжения. Электрохимическая камера функционально разделена на две зоны. В первой зоне установлено два электрода: первый анод 5 и катод 6, разделенные одной мембраной 3. Каждый микрообъем воды, протекающий в районе первого анода 5, соприкасается с поверхностью электродов и подвергается воздействию электрического поля, при этом вода в течение долей секунды насыщается короткоживущими, высокоактивными окислителями хлора и кислорода. Их концентрация в зависимости от минерализации и скорости протока воды может изменяться от 15 до 150 мг/л, при этом электролитическое окисление у анода разрушают органические и хлорорганические вещества в воде и микроорганизмы всех видов и форм уничтожаются, распадаясь на простые составляющие: нетоксичные и совершенно безопасные.Tap water through the inlet enters the chamber of the electrochemical reactor 1 and after filling it with water, a constant voltage source is switched on. The electrochemical chamber is functionally divided into two zones. In the first zone, two electrodes are installed: the first anode 5 and cathode 6, separated by one membrane 3. Each microvolume of water flowing in the area of the first anode 5 comes into contact with the surface of the electrodes and is exposed to an electric field, while the water is saturated with short-lived, highly active oxidizers of chlorine and oxygen. Their concentration, depending on mineralization and water flow rate, can vary from 15 to 150 mg/l, while electrolytic oxidation at the anode destroys organic and organochlorine substances in water and microorganisms of all kinds and forms are destroyed, breaking down into simple components: non-toxic and completely safe .

Возле первого анода 5 происходит насыщение воды кислородом и продукты распада становятся полярными, а структурная сетка водородных связей между молекулами воды разрыхляется, разупорядочивается, что облегчает ее использование клетками живых организмов и ускоряет удаление биологических шлаков. Вдоль первого анода 5, благодаря симметричному положению диафрагмы, весь поток воды делится на анолит и католит. При этом катионы за счет миграции перемещаются к катоду 6 и сразу удаляются. В катодном пространстве происходит прямое электролитическое и электрокаталитическое восстановление многозарядных катионов тяжелых металлов, что снижает токсичность воды, обусловленную наличием ионов тяжелых металлов, в тысячи раз.Near the first anode 5, water is saturated with oxygen and the decomposition products become polar, and the structural network of hydrogen bonds between water molecules is loosened and disordered, which facilitates its use by cells of living organisms and accelerates the removal of biological waste. Along the first anode 5, due to the symmetrical position of the diaphragm, the entire water flow is divided into anolyte and catholyte. In this case, the cations move to the cathode 6 due to migration and are immediately removed. In the cathode space, direct electrolytic and electrocatalytic reduction of multiply charged heavy metal cations takes place, which reduces the toxicity of water due to the presence of heavy metal ions by thousands of times.

Во второй функциональной зоне между вторым анодом 12 и катодом 6 установлены две мембраны 2 и 3. В пространстве между вторым анодом 12 и катодом 6 под воздействием электрического поля ионы и поляризованные продукты распада, полученные в первой зоне, приходят в упорядоченное движение. К катоду 6 двигаются ионы кальция, натрия, магния, водорода. При этом в катодном пространстве будут преобладать гидрооксил-ионы ОН-, а в анодное пространство перемещаются хлоридные и гидрооксильные анионы. И поэтому в анодном пространстве концентрируется вода со смесью соляной и серной кислот, в катодном пространстве концентрируется соленая вода, а между первой и второй диафрагмами остается очищенная и обеззараженная вода. В установке вода из катодного и анодного пространств отводится и сливается. Вода, перемещаясь вверх вдоль оси установки за счет миграционных смещений продуктов электролиза, постепенно избавляется от вредных примесей и насыщается кислородом.In the second functional zone between the second anode 12 and the cathode 6, two membranes 2 and 3 are installed. In the space between the second anode 12 and the cathode 6, under the influence of an electric field, the ions and polarized decomposition products obtained in the first zone come into orderly motion. Ions of calcium, sodium, magnesium, hydrogen move to the cathode 6. In this case, hydroxyl ions OH- will prevail in the cathode space, and chloride and hydroxyl anions will move into the anode space. And therefore, water with a mixture of hydrochloric and sulfuric acids is concentrated in the anode space, salt water is concentrated in the cathode space, and purified and disinfected water remains between the first and second diaphragms. In the installation, water from the cathode and anode spaces is diverted and drained. Water, moving up along the axis of the installation due to migratory displacements of electrolysis products, gradually gets rid of harmful impurities and is saturated with oxygen.

Недостатками устройства-прототипа являются сложность конструкции, высокие эксплуатационные потери электроэнергии и низкая надежность работы.The disadvantages of the prototype device are the complexity of the design, high operational power losses and low reliability.

Задача предлагаемого технического решения - снижение эксплуатационных расходов на получение опресненной воды и увеличение срока эксплуатации установки.The objective of the proposed technical solution is to reduce operating costs for obtaining desalinated water and increase the life of the plant.

Для решения поставленной задачи в установку опреснения морской воды, содержащую камеру с установленными вдоль и симметрично относительно стенок камеры двумя параллельно расположенными диафрагмами, разделяющими камеру на две зоны, а также два электрода разной полярности, согласно изобретению , введены обратноосмотическая мембрана, помещенная внутрь ограниченной двумя диафрагмами второй зоны камеры, которая подсоединена к насосу переменной производительности для откачки пермеата, при этом первая зона камеры разделена на две, объединенные патрубком половины - правую и левую относительно направления потока морской воды, а также блок управления, два выхода положительного и отрицательного полюсов которого подключены к первому и второму электродам, расположенным с внешней стороны камеры к двум половинам первой зоны соответственно; выход блока управления подключен к насосу переменной производительности для откачки пермеата, а первый и второй входы блока управления соединены соответственно с датчиком электропроводности пермеата и измерителем рН концентрата; выход первой зоны является выходом концентрата.To solve the problem, in a seawater desalination plant containing a chamber with two parallel diaphragms installed along and symmetrically relative to the chamber walls, dividing the chamber into two zones, as well as two electrodes of different polarity, according to the invention , a reverse osmosis membrane is introduced, placed inside limited by two diaphragms the second zone of the chamber, which is connected to a pump of variable capacity for pumping out the permeate, while the first zone of the chamber is divided into two, united by a pipe halves - right and left with respect to the direction of sea water flow, as well as a control unit, two outputs of the positive and negative poles of which are connected to the first and second electrodes located on the outer side of the chamber to the two halves of the first zone, respectively; the output of the control unit is connected to a variable displacement pump for pumping out the permeate, and the first and second inputs of the control unit are connected respectively to the permeate electrical conductivity sensor and the concentrate pH meter; the output of the first zone is the output of the concentrate.

Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:The scheme of the proposed device is shown in figure 2, where it is indicated:

1 - камера;1 - camera;

2, 3 - первая и вторая диафрагмы;2, 3 - first and second diaphragms;

4 - патрубок;4 - branch pipe;

5, 6 - первый и второй электроды;5, 6 - first and second electrodes;

7 - обратноосмотическая мембрана;7 - reverse osmosis membrane;

8 - блок управления;8 - control unit;

9 - насос для откачки пермеата;9 - pump for pumping out permeate;

10 - измеритель рН концентрата;10 - concentrate pH meter;

11 - датчик электропроводности пермеата;11 - permeate electrical conductivity sensor;

«МВ» - морская вода;"MW" - sea water;

«К» - концентрат;"K" - concentrate;

«П» - пермеат."P" - permeate.

Заявляемая установка опреснения морской воды содержит камеру 1, функционально разделенную на две зоны. Причем две половины первой зоны (правая и левая относительно направления потока морской воды по аналогии с определением берегов реки) объединены патрубком 4. Вторая зона ограничена первой 2 и второй 3 диафрагмами и отделена ими от первой зоны.The inventive seawater desalination plant contains a chamber 1, functionally divided into two zones. Moreover, the two halves of the first zone (right and left relative to the direction of the flow of sea water by analogy with the definition of the banks of the river) are united by a branch pipe 4. The second zone is limited by the first 2 and second 3 diaphragms and is separated by them from the first zone.

К правой и левой половинам первой зоны с внешней стороны подключены два электрода 5 и 6, соединенные с соответствующими положительным («+») и отрицательным («-») полюсами источника постоянного тока блока управления 8.Two electrodes 5 and 6 are connected to the right and left halves of the first zone from the outside, connected to the corresponding positive ("+") and negative ("-") poles of the DC source of the control unit 8.

Кроме того, внутри второй зоны камеры 1, на выходе, помещена обратноосмотическая мембрана 7. При этом выход второй зоны камеры 1 снабжен насосом переменной производительности для откачки пермеата 9, соединенный с выходом блока управления 8, входы которого соединены соответственно с выходами датчика электропроводности пермеата 11 и измерителя рН концентрата 10.In addition, inside the second zone of chamber 1, at the outlet, a reverse osmosis membrane 7 is placed. At the same time, the outlet of the second zone of chamber 1 is equipped with a variable capacity pump for pumping out permeate 9, connected to the output of control unit 8, the inputs of which are connected respectively to the outputs of the permeate electrical conductivity sensor 11 and concentrate pH meter 10.

Предлагаемая установка опреснения морской воды работает следующим образом.The proposed seawater desalination plant operates as follows.

Включается в работу насос для откачки пермеата 9. В результате во внутрь второй зоны камеры 1 поступает проточная морская вода «МВ». На электроды 5 и 6 подается постоянное напряжение, создающее высокую напряженность внутри камеры 1. При работе насоса для откачки пермеата 9 и наличии высокого напряжения на электродах 5 и 6 происходит движение ионов, растворенных в «МВ». Катионы движутся в направлении отрицательного электрода, а анионы - в сторону положительного электрода. В результате они проникают через диафрагмы 2 и 3. Правая и левая половины первой зоны камеры 1 объединены патрубком 4, так что на выходе первой зоны получается концентрат «К» с нейтральной кислотностью (рН=7). Контроль за кислотностью концентрата осуществляется с помощью измерителя рН концентрата 10. Длина диафрагм выбирается такой, чтобы за время продвижения потока МВ внутри второй зоны камеры все ионы, обусловившие соленость морской воды, пересекли диафрагмы 2 и 3. На выходе второй зоны камеры 1 получается раствор, очищенный от ионов, который через обратноосмотическую мембрану 7 откачивается насосом 9. Считая, что морская вода практически очистилась от ионов растворенных солей, осмотическое давление на обратноосмотической мембране 7 будет относительно небольшим, что существенно снижает нагрузку на насос для откачки пермеата 9. Управление работой установки опреснения морской воды осуществляется блоком управления 8, на входы которого поступают данные от измерителя рН концентрата 10 и датчика электропроводности пермеата 11, соответственно. На основе полученных данных определяется режим работы насоса для откачки пермеата 9 и значение и полярность постоянного напряжения на электродах 5 и 6. Результатом работы установки опреснения морской воды является получение пермеата - очищенной воды от растворенных солей и концентрата - раствора, более концентрированного для утилизации.The permeate pump 9 is switched on. As a result, flowing sea water "MV" enters the second zone of chamber 1. A constant voltage is applied to electrodes 5 and 6, which creates a high tension inside the chamber 1. During the operation of the permeate pump 9 and the presence of high voltage on the electrodes 5 and 6, the movement of ions dissolved in the “MW” occurs. Cations move towards the negative electrode and anions move towards the positive electrode. As a result, they penetrate through diaphragms 2 and 3. The right and left halves of the first zone of chamber 1 are connected by branch pipe 4, so that at the outlet of the first zone, a concentrate "K" with neutral acidity (pH=7) is obtained. Control over the acidity of the concentrate is carried out using a concentrate pH meter 10. The length of the diaphragms is chosen such that during the advancement of the MW flow inside the second zone of the chamber, all ions that caused the salinity of sea water crossed the diaphragms 2 and 3. At the outlet of the second zone of the chamber 1, a solution is obtained, purified from ions, which is pumped out through the reverse osmosis membrane 7 by the pump 9. Assuming that sea water is practically cleared of ions of dissolved salts, the osmotic pressure on the reverse osmosis membrane 7 will be relatively small, which significantly reduces the load on the permeate pump 9. Controlling the operation of the desalination plant sea water is carried out by the control unit 8, the inputs of which receive data from the concentrate pH meter 10 and the permeate electrical conductivity sensor 11, respectively. Based on the data obtained, the operating mode of the pump for pumping out permeate 9 and the value and polarity of the direct voltage on the electrodes 5 and 6 are determined. The result of the operation of the seawater desalination plant is the production of permeate - purified water from dissolved salts and concentrate - a solution more concentrated for disposal.

Считая заранее заданными ширину и толщину диафрагм, определим длину диафрагмы 2 (или 3) при условии, что обеспечивается получение опресненной морской воды с выходом

Figure 00000003
360 л/ч пермеата, что составляет 0,1 л/с. Площадь поперечного сечения второй зоны камеры 1 определим как
Figure 00000004
дм2. Скорость движения морской воды будет
Figure 00000005
0,67 дм/с, что равно 6,7 см/с.Assuming that the width and thickness of the diaphragms are predetermined, we determine the length of the diaphragm 2 (or 3), provided that it is possible to obtain desalinated sea water with the output
Figure 00000003
360 l/h of permeate, which is 0.1 l/s. The cross-sectional area of the second zone of chamber 1 is defined as
Figure 00000004
dm 2 . The speed of sea water will be
Figure 00000005
0.67 dm/s, which is equal to 6.7 cm/s.

В книге Г. Иос. Курс теоретической физики. Часть 1. Механика и электродинамика, М.: ГУПИМП РСФСР, 1963, С. 427 указанно, что подвижность ионов Na + составляет

Figure 00000006
см2/В·с. Примем напряжение между металлическими электродами 12 кВ при расстоянии между ними
Figure 00000007
см. Тогда напряженность электрического поля будет
Figure 00000008
В/см. Используя формулу (6) на С. 426 этой книги, получим поперечную скорость ионов Na + :In the book G. Jos. Course of theoretical physics. Part 1. Mechanics and electrodynamics, M.: GUPIMP RSFSR, 1963, p. 427 it is indicated that the mobility of Na + ions is
Figure 00000006
cm 2 /V s. Let's take the voltage between the metal electrodes 12 kV with a distance between them
Figure 00000007
see Then the electric field strength will be
Figure 00000008
W/cm Using formula (6) on page 426 of this book, we obtain the transverse velocity of Na + ions:

Figure 00000009
, (1)
Figure 00000009
, (one)

где

Figure 00000010
- напряжённость электрического поля внутри камеры (В/см); where
Figure 00000010
- electric field strength inside the chamber (V/cm);

Figure 00000011
- подвижность иона (см2/В·с).
Figure 00000011
- ion mobility (cm 2 /V·s).

Подставляя в формулу (1) известные значения, найдём

Figure 00000012
0,92 (см/с). Учитывая расстояние, равное 5 см, которое необходимо пройти иону
Figure 00000013
, получим время пролёта иона
Figure 00000013
до встречи с диафрагмой 2
Figure 00000014
=5,435 (с). Длина диафрагмы 2 должна быть
Figure 00000015
(см).Substituting the known values into formula (1), we find
Figure 00000012
0.92 (cm/s). Considering the distance equal to 5 cm that the ion needs to travel
Figure 00000013
, we obtain the time of flight of the ion
Figure 00000013
before meeting aperture 2
Figure 00000014
=5.435 (s). Diaphragm length 2 should be
Figure 00000015
(cm).

Произведённые расчёты обобщим следующей формулой:We generalize the calculations made by the following formula:

Figure 00000016
, (2)
Figure 00000016
, (2)

где

Figure 00000017
- выход пермеата (л/с);
Figure 00000018
- ширина диафрагмы;
Figure 00000011
- подвижность иона;
Figure 00000010
- напряжённость электрического поля внутри камеры (В/см);
Figure 00000019
- площадь поперечного сечения второй зоны камеры(cм2).where
Figure 00000017
- permeate output (l/s);
Figure 00000018
- aperture width;
Figure 00000011
- ion mobility;
Figure 00000010
- electric field strength inside the chamber (V/cm);
Figure 00000019
- cross-sectional area of the second zone of the chamber (cm 2 ).

Для оценки радиуса пор капилляров диафрагм воспользуемся формулой, приведённой в Физической Энциклопедии, том 2, М: «Советская энциклопедия», 1990, с. 240:To estimate the pore radius of diaphragm capillaries, we use the formula given in the Physical Encyclopedia, volume 2, M: "Soviet Encyclopedia", 1990, p. 240:

Figure 00000020
. (3)
Figure 00000020
. (3)

Приравнивая правые части формул (1) и (3), затем преобразуя полученное выражение, найдём радиус пор капилляров

Figure 00000021
диафрагм (мкм):Equating the right parts of formulas (1) and (3), then transforming the resulting expression, we find the pore radius of the capillaries
Figure 00000021
f-stop (µm):

Figure 00000022
, (4)
Figure 00000022
, (four)

где

Figure 00000010
- напряжённость электрического поля внутри камеры (В/см); where
Figure 00000010
- electric field strength inside the chamber (V/cm);

Figure 00000011
- подвижность иона (см2/В⋅с);
Figure 00000023
- коэффициент вязкости жидкости (морской воды) (Пас⋅с);
Figure 00000024
- толщина диафрагмы (см);
Figure 00000025
- межфазное поверхностное натяжение (н/м);
Figure 00000026
- краевой угол, образуемый поверхностью жидкости со стенками капилляра (рад).
Figure 00000011
- ion mobility (cm 2 /V⋅s);
Figure 00000023
- coefficient of viscosity of the liquid (sea water) (Pas⋅s);
Figure 00000024
- diaphragm thickness (cm);
Figure 00000025
- interfacial surface tension (n/m);
Figure 00000026
- the contact angle formed by the surface of the liquid with the walls of the capillary (rad).

Определим наименьшую толщину диафрагм, обеспечивающую их прочность в работе установки опреснения.Let us determine the smallest thickness of the diaphragms, which ensures their strength in the operation of the desalination plant.

Для пор диафрагмы радиусом менее 25 мкм допустимое натяжение

Figure 00000027
определяется по следующей формуле:For diaphragm pores with a radius of less than 25 µm, allowable tension
Figure 00000027
is determined by the following formula:

Figure 00000028
, (5)
Figure 00000028
, (5)

где

Figure 00000029
- давление жидкости на пору диафрагмы (н/м2);
Figure 00000030
- модуль Юнга материала диафрагмы (н/м2). where
Figure 00000029
- fluid pressure on the pore of the diaphragm (n/m 2 );
Figure 00000030
- Young's modulus of the diaphragm material (n/m 2 ).

Формула (5) взята из журнала Journal of The Franklin Institute, May 1976, p. 425, Table II. Formula (5) is taken from the Journal of The Franklin Institute, May 1976, p. 425, Table II.

Для полимерных материалов (типа каучука), из которых изготавливается диафрагма, допустимое натяжение

Figure 00000027
не превосходит 0,4366 (н/м2). Учитывая, что
Figure 00000031
, где
Figure 00000032
- плотность воды (жидкости), (кг/м3),
Figure 00000018
- ширина диафрагмы (м),
Figure 00000033
9,78 (м/с2) – ускорение свободного падения, толщина диафрагмы
Figure 00000034
должна быть больше, чемFor polymer materials (such as rubber) from which the diaphragm is made, the allowable tension
Figure 00000027
does not exceed 0.4366 (n/ m2 ). Given that
Figure 00000031
, where
Figure 00000032
- density of water (liquid), (kg / m 3 ),
Figure 00000018
- aperture width (m),
Figure 00000033
9.78 (m / s 2 ) - free fall acceleration, diaphragm thickness
Figure 00000034
should be more than

Figure 00000035
, (6)
Figure 00000035
, (6)

где

Figure 00000018
- ширина диафрагмы;
Figure 00000030
- модуль Юнга материала диафрагмы; where
Figure 00000018
- aperture width;
Figure 00000030
- Young's modulus of the diaphragm material;

Figure 00000021
- радиус пор капилляров диафрагмы (система единиц СИ).
Figure 00000021
is the pore radius of the diaphragm capillaries (SI units).

Со временем работы диафрагмы 2 и 3 забиваются ионами солей, растворённых в морской воде. Поэтому периодически требуется их очистка. Эту очистку возможно производить, не останавливая насос для откачки пермеата 9, если сменить полярность напряжения на электродах 5 и 6.Over time, diaphragms 2 and 3 become clogged with salt ions dissolved in sea water. Therefore, they need to be cleaned periodically. This cleaning can be done without stopping the permeate pump 9 by changing the polarity of the voltage on the electrodes 5 and 6.

Предлагаемая конструкция установки опреснения морской воды не требует больших затрат энергии, так как через электроды 5 и 6 не протекает постоянный ток, что указывает на отсутствие потерь электроэнергии. Конструкция устройства опреснения морской воды не содержит перемещающихся элементов, что говорит о её надёжности и долговечности эксплуатации. Устройство-прототип работает с остановкой для очищения морской воды, а в предлагаемой установке процесс очищения происходит непрерывно, что обеспечивает ее более высокую производительность.The proposed design of the seawater desalination plant does not require large amounts of energy, since no direct current flows through electrodes 5 and 6, which indicates the absence of power losses. The design of the seawater desalination device does not contain moving elements, which indicates its reliability and durability. The prototype device works with a stop to purify sea water, and in the proposed installation, the purification process occurs continuously, which ensures its higher performance.

Блок управления 8 может быть реализован, например, как описано в книге Ю.И. Дытнерский «Обратный осмос и ультрафильтрация», стр. 102-108, рис. II-24; обратноосмотическая мембрана 7 может быть выбрана из таблиц II.3 и II.4, стр. 59-60 той же книги.The control unit 8 can be implemented, for example, as described in the book Yu.I. Dytnersky "Reverse osmosis and ultrafiltration", pp. 102-108, fig. II-24; reverse osmosis membrane 7 can be selected from tables II.3 and II.4, pages 59-60 of the same book.

Claims (12)

1. Установка опреснения морской воды, содержащая камеру с установленными вдоль и симметрично относительно стенок камеры двумя параллельно расположенными диафрагмами, разделяющими камеру на две зоны, а также два электрода разной полярности, отличающаяся тем, что введены обратноосмотическая мембрана, помещенная внутрь ограниченной двумя диафрагмами второй зоны камеры, которая подсоединена к насосу переменной производительности для откачки пермеата, при этом первая зона камеры разделена на две объединенные патрубком половины – правую и левую относительно направления потока морской воды, а также блок управления, два выхода положительного и отрицательного полюсов которого подключены к первому и второму электродам, расположенным с внешней стороны камеры к двум половинам первой зоны соответственно; выход блока управления подключен к насосу переменной производительности для откачки пермеата, а первый и второй входы блока управления соединены соответственно с датчиком электропроводности пермеата и измерителем рН концентрата; выход первой зоны является выходом концентрата.1. Seawater desalination plant, containing a chamber with two parallel diaphragms installed along and symmetrically relative to the chamber walls, dividing the chamber into two zones, as well as two electrodes of different polarity, characterized in that a reverse osmosis membrane is inserted, placed inside the second zone limited by two diaphragms chamber, which is connected to a pump of variable capacity for pumping out permeate, while the first zone of the chamber is divided into two halves united by a branch pipe - right and left with respect to the direction of sea water flow, as well as a control unit, two outputs of the positive and negative poles of which are connected to the first and second electrodes located on the outer side of the chamber to the two halves of the first zone, respectively; the output of the control unit is connected to a variable displacement pump for pumping out the permeate, and the first and second inputs of the control unit are connected respectively to the permeate electrical conductivity sensor and the concentrate pH meter; the output of the first zone is the output of the concentrate. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что очистка диафрагм производится без остановки процесса опреснения путём смены полярности на электродах.2. Installation according to claim 1, characterized in that the diaphragms are cleaned without stopping the desalination process by changing the polarity on the electrodes. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что длина диафрагмы
Figure 00000036
(см) определяется, исходя из формулы:
Figure 00000037
,
3. Installation according to claim 1, characterized in that the length of the diaphragm
Figure 00000036
(cm) is determined based on the formula:
Figure 00000037
,
где
Figure 00000038
- выход пермеата (л/с);
Figure 00000039
- ширина диафрагмы (см);
where
Figure 00000038
- permeate output (l/s);
Figure 00000039
- aperture width (cm);
Figure 00000040
- подвижность иона (см2/В⋅с);
Figure 00000041
- напряжённость электрического поля внутри камеры (В/см);
Figure 00000042
- поперечное сечение второй зоны камеры (cм2).
Figure 00000040
- ion mobility (cm 2 /V⋅s);
Figure 00000041
- electric field strength inside the chamber (V/cm);
Figure 00000042
- cross section of the second zone of the chamber (cm 2 ).
4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что радиус капилляров диафрагмы определяется по следующей формуле
Figure 00000043
(мкм):
4. Installation according to claim 1, characterized in that the radius of the capillaries of the diaphragm is determined by the following formula
Figure 00000043
(µm):
Figure 00000044
,
Figure 00000044
,
где
Figure 00000041
- напряжённость электрического поля внутри камеры (В/см);
where
Figure 00000041
- electric field strength inside the chamber (V/cm);
Figure 00000040
- подвижность иона (см2/В⋅с);
Figure 00000045
- коэффициент вязкости жидкости (морской воды) (Пас·с);
Figure 00000046
- толщина диафрагмы (см);
Figure 00000047
- межфазное поверхностное натяжение (Н/м);
Figure 00000048
- краевой угол, образуемый поверхностью жидкости со стенками капилляра (рад).
Figure 00000040
- ion mobility (cm 2 /V⋅s);
Figure 00000045
- coefficient of viscosity of the liquid (sea water) (Pas s);
Figure 00000046
- diaphragm thickness (cm);
Figure 00000047
- interfacial surface tension (N/m);
Figure 00000048
- the contact angle formed by the surface of the liquid with the walls of the capillary (rad).
5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что толщину стенки диафрагмы
Figure 00000049
(см), изготовленной из полимерных материалов, определяют по формуле – система единиц СИ:
5. Installation according to claim 1, characterized in that the wall thickness of the diaphragm
Figure 00000049
(cm), made of polymeric materials, is determined by the formula - the SI system of units:
Figure 00000050
,
Figure 00000050
,
где
Figure 00000039
- ширина диафрагмы (см);
Figure 00000051
- модуль Юнга материала диафрагмы (Н/м2);
Figure 00000052
- радиус пор капилляров диафрагмы (мкм).
where
Figure 00000039
- aperture width (cm);
Figure 00000051
- Young's modulus of the diaphragm material (N/m 2 );
Figure 00000052
- pore radius of diaphragm capillaries (µm).
RU2021137924A 2021-12-21 Seawater desalination plant RU2778446C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2778446C1 true RU2778446C1 (en) 2022-08-18

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU899064A1 (en) * 1980-02-06 1982-01-23 Институт коллоидной химии и химии воды АН УССР Electrodializer
RU2064897C1 (en) * 1993-07-09 1996-08-10 Волгоградский завод оросительной техники Sea water desalting plant
RU2155718C2 (en) * 1998-09-14 2000-09-10 Еремин Анатолий Дмитриевич Plant for reduction of mineralization and decontamination of potable water
WO2018036612A1 (en) * 2016-08-23 2018-03-01 Swan Analytische Instrumente Ag Device and method for the electrodeionization of a liquid

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU899064A1 (en) * 1980-02-06 1982-01-23 Институт коллоидной химии и химии воды АН УССР Electrodializer
RU2064897C1 (en) * 1993-07-09 1996-08-10 Волгоградский завод оросительной техники Sea water desalting plant
RU2155718C2 (en) * 1998-09-14 2000-09-10 Еремин Анатолий Дмитриевич Plant for reduction of mineralization and decontamination of potable water
WO2018036612A1 (en) * 2016-08-23 2018-03-01 Swan Analytische Instrumente Ag Device and method for the electrodeionization of a liquid

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mavukkandy et al. Brine management in desalination industry: From waste to resources generation
Subramani et al. Treatment technologies for reverse osmosis concentrate volume minimization: A review
ElMekawy et al. The near-future integration of microbial desalination cells with reverse osmosis technology
JP3164558U (en) Equipment for desalination
US8864911B2 (en) Method for removing ionic species from desalination unit
KR100874269B1 (en) High efficiency seawater electrolysis apparatus and electrolysis method including pretreatment process
US10214433B2 (en) Brine treatment scaling control system and method
Krishna Introduction to desalination technologies
CA2840739A1 (en) Electrodesalination system and method
Gurreri et al. Electrodialysis for wastewater treatment—Part I: Fundamentals and municipal effluents
RU2778446C1 (en) Seawater desalination plant
Solt et al. Electrodialysis
EP2569255A1 (en) Method and system for disposal of brine solution
JP2002205070A (en) Method of making mineral water from marine deep water and system of making for the same
Aboutalebi et al. State-of-the-art desalination research
JP3271744B2 (en) Desalting method using electrodialysis equipment
AU2021100286A4 (en) Aqua life: a compact device extracting drinkable water from sea water
WO2021090583A1 (en) Water treatment system and water treatment method
Tan et al. Membrane processes for desalination: overview
RU2155718C2 (en) Plant for reduction of mineralization and decontamination of potable water
Santhanam et al. An Electrochemical Approach for Separation of Mg (Oh) 2 and Caco3 from Each Other: Application to Ro Reject and Polluted Water
Abbas et al. Using of electrodialysis technology to desalinate Shatt Al-Arab water
Santhanam et al. A two-step electrochemical method for separating Mg (OH) 2 and CaCO3: Application to RO reject and polluted groundwater
Kim et al. Adaptation of organic supporting electrolyte for extension of potential window and energy recovery in redox-mediated electrodialysis
Ahmadpari et al. Investigation of Electrodialysis Technology for Water Desalination