專利名稱：海水的改進脫鹽的制作方法
背景技術：
現(xiàn)有技術的描述世界面臨嚴重的水問題。由大氣二氧化碳和其它“溫室氣體”的增加引起的海表面的增加變暖對島嶼國家是大問題。因極地冰帽熔融，增加溫度引起海洋上升。這可淹沒島嶼。同時，升高的水溫度損害珊瑚礁使得島嶼居民也面臨食物的短缺。同時大氣溫度的增加促進了荒漠化。沙漠居民缺少用于直接消費和用于農(nóng)業(yè)的水。沙漠居民也面臨食物短缺。這兩個問題都是環(huán)境的。所有生物包含水作為它們軀體的主要組分。大多數(shù)生物功能和許多生物結(jié)構依賴于水和在干燥或脫水狀態(tài)下是不可能的?！案稍铩睂τ诖蠖鄶?shù)活生物意味著“死亡”。
因此，水短缺的問題對于人類是非常重要的。到二十二世紀的中葉，預測世界人口會超過一百億。世界人口的此快速增長會增加已經(jīng)緊張的水，食物和能源的競爭。這些問題彼此密切相關和是不容易分離的。
地球上的大多數(shù)水是海洋水(海水)。純水存在于冰(冰川和雪)，雨，河流，池塘，湖泊，和地下含水層。水的農(nóng)業(yè)使用依賴于上述水源。令人遺憾地，許多含水層包含富含礦物質(zhì)的水，礦物質(zhì)在長時間灌溉之后在土壤中積累。此積累引起對植物的所謂“鹽傷害”。在水中含較高鈉的地方，當鈉代替粘土礦物質(zhì)中的鈣時，損害土壤的真實結(jié)構。
97.5％的地球水是海水，不脫除鹽-脫鹽，它不能在農(nóng)業(yè)上使用。有兩種基本普及的脫鹽工藝蒸餾和膜分離。蒸餾是其中水分子從海水蒸發(fā)和隨后冷凝為純水的工藝。膜分離工藝包括“電子透析”(ED方法)或“反滲透”(RO方法)。
蒸餾產(chǎn)生純水和此工藝的殘余物是鹽。膜工藝ED和RO捕集離子和鹽使得殘余物是純水。蒸餾要求許多的能量用于加熱水以促進蒸發(fā)，而膜工藝要求昂貴的膜。
由于在可以將沙漠轉(zhuǎn)化成綠色種植園的規(guī)模上對于農(nóng)業(yè)需要巨大數(shù)量的水，海水脫鹽的實際問題是在工業(yè)水平下的一種效率。光合作用是唯一的重要過程，通過該過程活生物獲取太陽能和通過從二氧化碳和水合成葡萄糖貯存太陽能。公知的粗略估計是農(nóng)作物的生長要求的水重量約為收獲的作物重量的一千倍。
標準海水包含約3.4％的鹽，pH為8。最普遍的陰離子是氯離子(19,000mg/l)和硫酸根(2,600mg/l)。通常的陽離子是鈉離子(10,650mg/l)，鎂離子(1,300mg/l)，鈣離子(400mg/l)和鉀離子(380mg/l)。也有低水平的溴離子，碳酸根，硼離子和鍶離子。此外有痕量鐵，二氧化硅，和碳酸鈣。
這些離子每種的直徑為幾埃(10-10m)。水合離子具有相同的大小尺寸等級。膜脫鹽工藝的分離效率歸功于膜的離子捕集能力和離子滲透性。膜的親合力和孔尺寸是分離結(jié)果的關鍵。必須仔細進行膜的制造和要求特殊的聚合物。對于ED方法，離子交換聚合物是有利的而對于RO方法，優(yōu)選是醋酸纖維素和相似中性聚合物。已經(jīng)嘗試聚合物基體的改性，例如通過交聯(lián)和側(cè)鏈改性，以促進效率。然而，仍然難以除去所有的離子。
另一方面，蒸餾方法是從各種污染物中分離液體的標準實驗室方法。在除去微粒物質(zhì)之后，將海水沸騰和蒸發(fā)。然后將獲得的物流冷卻以將它冷凝成液體水。通常的分餾塔能夠得到大量的純水。問題是有效地使用能量。許多技術嘗試降低要求用于從海水蒸餾純水的總卡路里數(shù)。
由于我們的身體已經(jīng)包含在海水中發(fā)現(xiàn)的許多離子的臨界平衡和可能被另外的離子損害，為生產(chǎn)飲用水，必須基本除去所有的離子。為用于農(nóng)業(yè)，也必須基本除去所有的離子。如上所述，鹽在農(nóng)業(yè)土地中的積累使土壤不適于耕種使得農(nóng)民必須放棄受影響土地的耕作。在世界上，有許多其中發(fā)生這種情況的區(qū)域。有由于水短缺的無數(shù)問題-沙漠的形成，對農(nóng)業(yè)的鹽損害，以及飲用水的缺乏。這些問題要求用于水長距離運輸?shù)膹碗s系統(tǒng)以及引起當將水從一個區(qū)域抽取以有益于另一個區(qū)域時的“水戰(zhàn)爭”。
本發(fā)明的詳細描述提供以下描述以使本領域技術人員能夠使用本發(fā)明和說明由本發(fā)明人設想進行他的發(fā)明的最好模式。然而，由于已經(jīng)在此定義本發(fā)明的一般原理以提供通過結(jié)合海水和微粒材料而增強從海水蒸發(fā)的方法，各種改進對于本領域技術人員會容易地是顯然的。
在自然界，水以三種物理狀態(tài)-固體，液體，和氣體通過環(huán)境循環(huán)。響應于由太陽的加熱，水從陸地或從水主體表面蒸發(fā)。獲得的水汽通過大氣循環(huán)和收集為云。在足夠冷卻時，水從云冷凝和下落為雨和雪。從陸地或水表面的蒸發(fā)不依賴于大的溫度梯度。而是涉及的大規(guī)模表面使得表面溫度的適當上升導致大量純水從地球表面的蒸餾成為可能。本發(fā)明人已經(jīng)了解通過極大地增加蒸發(fā)表面，可以極大地增強水的蒸發(fā)速率。在從巨大海洋表面積的蒸發(fā)的思考中，人們可以考慮蒸發(fā)面積是二維的。二維面積實際上是三維面積。通過如下公式，可以基本將地球的整個表面積(509,949,000km2)轉(zhuǎn)化成許多個小顆粒的表面積。
在此S＝表面積，V＝體積，W＝重量，D＝密度和R＝地球的半徑。相似地，s＝表面積，v＝體積，w＝重量，d＝密度和r＝用于代替地球表面的眾多小顆粒(微粉)聚集體的半徑。
S＝4πR2(1)s＝4πr2(2)允許S等于眾多(n)顆粒表面積(s)的總和(S＝n×s)n=Ss=(Rr)2---(3)]]>V＝4/3πR3(4)v＝4/3πr2(5)Vv=(Rr)3---(6)]]>W＝4/3πR3·D (7)w＝4/3πr3·d (8)從(3)得到n，我們得到n·W=(Rr)2×43πr3×d=43π×R2×d---(9)]]>地球半徑R＝6.37×106m。因此nW＝8.5×1016×rkg[r[m]] (10)如果地球的密度D是5.5g/cm3，使用公式(7)重量W為約5.97×1024公噸。然而，使用公式(9)和(10)，可以計算微粉的重量，這樣微粉的結(jié)合表面積等于地球的表面積。假定微粉是密度為0.5g/cm3的纖維素，人們可以計算的是對于半徑r為1cm的微顆粒，具有地球表面積的微粉的重量為約8.5×1011公噸。當r降低到微米級(1×10-6m)時，重量變?yōu)?.5×107公噸。
這給出小顆粒表面如何巨大的指示。通過使用小顆粒，采用“相對小”的顆粒重量，可以基本復制地球的整個蒸發(fā)表面積。當然，107公噸仍然是巨大的重量。然而，從地球表面蒸發(fā)的水數(shù)量難以置信地巨大。不需要復制該數(shù)量。要點在于微粉的使用可極大地增加蒸發(fā)表面積。蒸發(fā)面積的增加以上計算說明增加小球形顆粒的三維表面積。由于微顆粒的比面積大，吸附位置和蒸發(fā)位置數(shù)增加。此外，如果將顆粒攪拌和旋轉(zhuǎn)，可以利用系統(tǒng)的三維面積。因此增加海水蒸發(fā)的能力，因此增加工藝的總體效率。即，蒸發(fā)速率依賴于蒸發(fā)表面積。當進行它們表面積的三維使用時，在小空間的小顆粒總面積接近地球表面的總面積。微粉小球形顆粒可用于此目的。然而，本發(fā)明并不具體限于顆粒形狀和特征性能如親水性。在顆粒表面上的傳熱并不受結(jié)合到表面上限制。金屬粉末如鐵、銅和鋅也起更好的導熱體的作用。鐵的熱導率是0.4-0.5J/g·K和銅的熱導率是0.3-0.4J/g·K。此外，紙和木材熱導率是1.1-1.3J/g·K。這些粉末的最優(yōu)尺寸為約一到幾微米的直徑。盡管如上所述，甚至半徑為厘米范圍的顆粒也提供巨大的表面積。也可以將上述材料的混合物用于本蒸發(fā)方法。
優(yōu)選的材料是由木纖維素的徹底碎裂產(chǎn)生的細纖維素粉末?？梢酝ㄟ^連續(xù)研磨和攪拌的工藝機械分裂鋸屑和相似的纖維素廢材料以提供這樣的材料。
如以下解釋的那樣，水分子與顆粒表面的相互作用提供效率的另一種顯著改進。為在以上計算的數(shù)字以下數(shù)量級的微粉重量實際上能夠復制整個地球的蒸發(fā)能力。這使得使用微粉可以得到相對小但非常有效的蒸發(fā)系統(tǒng)。游離水在理解由微粉提供的另外效率時，首先必須考慮水的狀態(tài)。水，可能是化學中最基本的化合物。水的結(jié)構使得它對于通常稱為“氫鍵”的分子間相互作用類型是理想的。由于此相互作用，液態(tài)水存在為準聚合物狀態(tài)，其中單個水分子聯(lián)接以形成“聚集物”。當與不顯示氫鍵的相似尺寸分子比較時，水的比熱，沸點，凝固點和相關物理性能顯示非常不同的數(shù)值。100℃的沸點通常用于氫鍵現(xiàn)象的說明。水汽，水的氣態(tài)，存在為單或二水分子。液態(tài)水蒸發(fā)要求的熱量表示要求用于從聚合的“聚集物”狀態(tài)移動分子到蒸氣態(tài)的總體能量，其中聚集物由水單體或二聚體代替。在標準條件下水的比熱是4.3j/g·K。正常各向同性的本體水稱為“游離水”。這意味著水-水分子相互作用在所有的方向上相同。如果將親水性化合物引入系統(tǒng)，水-水相互作用輕微地變化。加入離子的效果是此效果的例子。溶于水的離子變成水合的，這意味著加入另外的相互作用-即離子-水相互作用。此相互作用不大，故海水的比熱僅降低到3.9j/g·K。然而，重要的是注意到另一種力能夠改變水-水相互作用。離子-水相互作用較弱，和相互作用的馳豫時間較短。水分子與離子的相互作用并不受其它水分子影響，故更容易加熱成水分子。結(jié)合水是另一種水狀態(tài)，其中水-水相互作用被打破。完全水合的分子包含固定水或緊密締合的結(jié)合水。也可以通過疏水性材料打破水相互作用。強疏水性顆粒如聚四氟乙烯的顆粒也可有效用于本發(fā)明。目前IR，拉曼光譜，或核磁共振光譜可實驗地區(qū)分水的這些各種狀態(tài)。
水-水和水-其它分子的相互作用顯示可以改變水分子的傳熱特性。弱化水-水相互作用可降低需要用于將水從液體轉(zhuǎn)化成氣體的能量數(shù)量。小顆粒的表面最適宜于產(chǎn)生改變用于蒸發(fā)水的能量數(shù)量的相互作用。即，可以通過降低水-水相互作用降低需要用于蒸發(fā)水分子的能量。
用于此目的最有效材料為親水性化合物如在植物材料如木材、紙、竹子、和稻草中發(fā)現(xiàn)的天然多糖大分子以及蛋白質(zhì)和無機金屬氧化物如二氧化硅(二氧化硅)、氧化鋁(氧化鋁)、二氧化鈦(二氧化鈦)、氧化鎂(氧化鎂)、氧化鐵、其它金屬氧化物、粘土等。
蒸發(fā)工藝的能量來源不是關鍵的?？梢詫⒛芰刻峁檎α骰騻鲗Ъ訜?，或由可見光、紅外、或微波輻射或簡單地由陽光的輻射加熱。另一種方法是通過摩擦的機械加熱(如，通過攪拌)。
游離水顯示強水-水相互作用和需要很多的能量以克服相互作用和將液態(tài)水轉(zhuǎn)化為蒸汽。弱化水-水相互作用是降低要求用于蒸發(fā)水的能量數(shù)量的重要方式。蒸汽去除在水汽和液態(tài)水之間存在蒸汽-液體平衡。本發(fā)明的此特征涉及非平衡狀態(tài)的促進。海水的蒸發(fā)由在恒定溫度和壓力條件下的蒸汽-液體平衡控制。降低壓力是促進蒸發(fā)速率增加的另一種方式。在密閉系統(tǒng)中，水的蒸汽壓p1和大氣壓p2結(jié)合以得到平衡壓p。由于在這樣的密閉系統(tǒng)中容器體積控制總蒸汽體積，在給定溫度下容器體積影響此壓力。如果允許水汽流入冷凝器以被轉(zhuǎn)化成液態(tài)水，系統(tǒng)中水的蒸汽壓p1降低和促進蒸發(fā)。可以在蒸發(fā)系統(tǒng)中提供風扇以促進水汽循環(huán)進入冷凝器。
第一實施例

圖1顯示用于進行本發(fā)明方法的裝置100的圖示?？刂葡?50包含微處理機或其它相似控制系統(tǒng)以控制裝置響應于蒸汽溫度傳感器151a和液體溫度傳感器151b和水液位傳感器153?？刂葡?50控制加熱器(未示出)以升高容器101的溫度?？刂葡?50也控制攪拌電機102和鹽水噴淋器105以及循環(huán)風扇107。將海水貯存在原料容器110中和噴淋入蒸發(fā)容器101以保持其中流體的液位。一般情況下，在被噴淋之前，通過加熱整個容器110或通過加熱噴淋器105，加熱海水。廢熱或太陽能是特別優(yōu)選的使得系統(tǒng)將廢熱轉(zhuǎn)化成純水。噴淋器105產(chǎn)生霧狀噴霧以允許直接蒸發(fā)的最大量。要求的總能量數(shù)量由微粉104極大地降低，微粉位于容器101中。
當旋轉(zhuǎn)葉輪103攪拌微粉和加熱海水的溶液時，系統(tǒng)起作用。如先前所述，微粉極大地增加可用于蒸發(fā)的表面積。同時水分子與顆粒表面的相互作用降低水-水相互作用以有效地引起水蒸發(fā)熱的局部降低。此極大地引起水的加速蒸發(fā)(箭頭)。溫度傳感器151a和151b檢測蒸汽和液相之間的溫度差和如需要，可以加熱容器101，(加熱器未示出)以保持溫度差別。風扇107將蒸汽循環(huán)入冷凝器108，在其中將蒸汽轉(zhuǎn)化成液態(tài)水?？梢蕴峁┲够亻y(未說明)使得可以將液態(tài)水抽入水收集容器120，而不釋放由冷凝引起的壓力差別。將另外的海水從噴淋器105噴淋以增加容器101中的水汽壓力。
周期地，將積累在容器101中的濃鹽水抽出(未說明)。通過過濾，離心或簡單重力沉降回收微粉。在其中使用纖維素微粉的情況下，由于它是完全可生物降解的，可以僅丟棄已使用的粉末。一般情況下，可以簡單地通過分散管路系統(tǒng)將濃鹽水泵送回海洋以避免鹽度的過量局部增加。或者，如果有鹽水的可利用市場，例如，它可在工業(yè)上用作化學原料。
在所示的裝置中，容器101尺寸是70×80×100cm。兩個電機102彼此并聯(lián)設置(僅示出一個)，每個電機的容量為約1.5kWh。通過葉輪103在約1000rpm的速度下攪拌微粉104。
蒸發(fā)速率和體積隨增加的旋轉(zhuǎn)和增加的溫度而增加。然而，在最優(yōu)值以上的溫度，可引起粉末的降解。在此實施例中，設定蒸發(fā)容器中的溫度不大于70℃。無機微粉在此裝置達到的溫度下并不降解。然而，纖維素材料具有優(yōu)異的性能。
例如，貯存在容器101中的微粉可以是木粉25kg和二氧化硅5kg的混合物。采用葉輪103攪拌混合物，同時在70℃的受控條件下噴淋十三升海水。當攪拌繼續(xù)時，水由蒸發(fā)而損失。加入海水以代替蒸發(fā)的水，它等于約61/小時。如果進行相同的試驗而不加入微粉，會蒸發(fā)小于11/小時。這指示由于微粉的至少六倍改進。第二實施例在第二實施例中，使用污染的河水以強調(diào)本發(fā)明并不限于海水的情況。可以從由非揮發(fā)性雜質(zhì)污染的任何水溶液獲得純水。例如，可容易地由本發(fā)明將灌溉流失水或循環(huán)灰水脫鹽。
基本系統(tǒng)與第一實施例中所述相同。僅詳細描述與第一實施例的差異。將25kg木微粉放入容器101中和由葉輪103攪拌。此外，控制箱150設定50℃為蒸發(fā)溫度。不是海水，而是將從河流抽取的不純水在被預熱到40℃之后，通過噴淋噴嘴105加入。在此初始緩慢地加入101水以防止容器中溫度的下降。結(jié)果從冷凝器108獲得約21/hr的新鮮水。如果進行相同的試驗而沒有木微粉，生產(chǎn)的純水量會為微不足道的。
因此理解以下權利要求包括以上具體說明和描述的那些，概念上同等的那些，可以顯然替代的那些和同樣基本引入本發(fā)明本質(zhì)思想的那些。本領域技術人員可領會在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，可以構架剛剛所述優(yōu)選實施方案的各種改變和改進。說明的實施方案僅作為實施例的目的和它并不應當作為對本發(fā)明的限制。因此，應明白的是，本發(fā)明可以在所附權利要求的范圍中以與在此具體描述的那些不同的方式來實施。
權利要求
1.一種增強水蒸發(fā)的方法，包括如下步驟制備水和一定數(shù)量細顆粒的混合物，顆粒的平均直徑為100μm或更小，和在容器中攪拌混合物，因此從混合物釋放水汽。
2.權利要求1的方法，進一步包括如下步驟在攪拌混合物的步驟期間加入能量以保持混合物的溫度。
3.權利要求1的方法，其中顆粒的平均直徑為10μm或更小。
4.權利要求3的方法，其中顆粒的平均直徑為1μm或更小。
5.權利要求1的方法，其中顆粒由選自如下的材料組成植物源的多糖大分子、纖維素大分子、蛋白質(zhì)、粘土、金屬、二氧化硅和金屬氧化物。
6.權利要求5的方法，其中金屬氧化物選自氧化鋁、二氧化鈦、氧化鎂和氧化鐵。
7.權利要求1的方法，其中顆粒是親水性的。
8.權利要求1的方法，進一步包括如下步驟向混合物中噴淋另外的水以補充蒸發(fā)的水。
9.權利要求8的方法，其中調(diào)節(jié)所述另外的水的溫度以防止混合物溫度的降低。
10.權利要求1的方法，進一步包括如下步驟提供用于降低容器中壓力的系統(tǒng)。
11.權利要求10的方法，其中降低壓力的系統(tǒng)冷凝水汽。
12.一種增強水蒸發(fā)的裝置，包括包含水和細顆?；旌衔锏娜萜鳎渲蓄w粒的平均直徑為100μm或更小，和用于攪拌混合物的設備，由此從混合物釋放水汽。
13.權利要求12的裝置，進一步包括用于向混合物加入能量以在攪拌混合物時保持混合物溫度的設備。
14.權利要求12的裝置，其中顆粒的平均直徑為10μm或更小。
15.權利要求14的裝置，其中顆粒的平均直徑為1μm或更小。
16.權利要求12的裝置，其中顆粒由選自如下的材料組成植物源的多糖大分子、纖維素大分子、蛋白質(zhì)、粘土、金屬、二氧化硅和金屬氧化物。
17.權利要求16的裝置，其中金屬氧化物選自氧化鋁、二氧化鈦、氧化鎂和氧化鐵。
18.權利要求12的裝置，其中顆粒是親水性的。
19.權利要求12的裝置，進一步包括用于向混合物中噴淋另外的水以補充蒸發(fā)水的設備。
20.權利要求19的裝置，其中調(diào)節(jié)所述另外的水的溫度以防止混合物溫度的降低。
21.權利要求12的裝置，進一步包括用于降低容器中壓力的設備。
22.權利要求21的裝置，其中用于降低壓力的設備冷凝水汽。
全文摘要
本發(fā)明是水的改進類型蒸餾。通常的蒸餾涉及液體的沸點。然而，可以在比沸點低得多的溫度下蒸餾相當數(shù)量的水。在蒸餾期間，將化合物從液相轉(zhuǎn)化到氣相和然后再次冷凝成液體以得到純液體。本發(fā)明使用噴淋(105)和吸附在固體表面如從木材制成的微粉(104)的水作為起始材料。當攪拌水和顆粒時，吸收到這樣表面上導致在相對低的溫度梯度下的快速蒸發(fā)。本發(fā)明可以被表征為固相蒸餾。
文檔編號C02F1/04GK1426378SQ01808454
公開日2003年6月25日 申請日期2001年3月29日 優(yōu)先權日2000年3月31日
發(fā)明者秦誠二 申請人:生物質(zhì)轉(zhuǎn)化有限責任公司