Способ получения воды из воздуха

 

Изобретение относится к способам получения пресной воды из атмосферного воздуха в удаленных, засушливых или безводных районах. Изобретение решает задачу повышения производительности получения пресной воды из атмосферного воздуха и уменьшения энергозатрат. Предлагаемый способ получения пресной воды из атмосферного воздуха состоит в том, что поглощение влаги из воздуха происходит при его продуве через сорбент, который затем отдает влагу при нагреве с последующей ее конденсацией, и отличается тем, что в качестве сорбента используют материал, состоящий из пористой матрицы и помещенного в поры гигроскопичного вещества. В качестве пористой матрицы используют неорганические оксиды, углеродные сорбенты, полимеры, природные сорбенты, порометаллы, пористые композиты или их смеси, в качестве гигроскопичного вещества в поры помещают неорганические соли, их смеси, их растворы и их кристаллогидраты. При этом нагрев сорбента на стадии десорбции воды осуществляют до температуры 50-80^oC за счет использования солнечной или электрической энергии, а также тепла различных двигателей, а температуру в конденсаторе поддерживают близкой к температуре окружающей среды. 5 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способам получения пресной воды из атмосферного воздуха в удаленных, засушливых или безводных районах.

Известен способ получения воды из воздуха с использованием установки, состоящей из рециркуляционного теплообменника, соединенного с системой охлаждения, при этом холодильная машина выполнена бромолитиевой с солнечным водонагревателем и с абсорбером, соединенным с системой охлаждения, а воздуховод установлен вертикально и нижний его конец загнут вверх с образованием патрубка, где и установлен рециркуляционный теплообменник [1] Недостатком этого способа является сложная технологическая схема и использование для конденсации влаги холодильной машины.

Известен способ получения воды из воздуха поглощением водяного пара из влажного воздуха (в [2] предварительно охлажденного) при его продуве через сорбент, который обогащается влагой. Затем вода из сорбента удаляется теплым воздушным потоком (в [2] нагретым солнечным светом), в результате чего влажность последнего увеличивается. Этот поток транспортируется в конденсатор, где и собирается полученная вода [2, 3] В качестве сорбента воды в обоих случаях предлагается использовать силикагель.

Наиболее близким является способ, в котором поток атмосферного воздуха продувается через сорбент, отдавая ему влагу и возвращаясь осушенным в окружающую среду [3] Цикл извлечения сорбированной воды является замкнутым (фиг. 2) и содержит воздухонагреватель 1, который через вентилятор 2 соединяется с адсорбером 3, в котором в качестве сорбента используется широкопористый силикагель. Адсорбер 3 соединяется с входом теплообменника 4, который состоит из десорбционного пространства и встроенного конденсатора 5, один из выходов которого ведет в атмосферу, а другой связан с тепловым насосом 6 и имеет отверстие для вывода воды, получающейся при конденсации. Тепловой насос приводится в действие мотором W и передает тепло к нагревателю 1, замыкая тем самым цикл.

Недостатками этого способа является сложная замкнутая схема десорбции воды, а также большие энергозатраты на удаление сорбированной воды с поверхности силикагеля, которые могут превышать теплоту испарения воды на 10-15 ккал/моль, т. е. в 2-2,5 раза [4] Изобретение решает задачу повышения производительности получения пресной воды из атмосферного воздуха и уменьшения энергозатрат.

Поставленная задача решается использованием специальных сорбентов, представляющих собой композитные материалы и состоящих из пористой матрицы с открытыми порами и помещенного в эти поры гигроскопичного вещества. В качестве пористой матрицы используют неорганические оксиды, углеродные сорбенты, полимеры, природные сорбенты, пористые металлы, пористые композиты или их смеси, а в качестве гигроскопичного вещества в поры помещают неорганические соли, их смеси, их растворы и их кристаллогидраты.

Сорбенты могут быть получены стандартными методами синтеза пропиткой предварительно высушенных матриц насыщенными растворами солей до полного (либо частичного) заполнения пор с последующей сушкой, совместным осаждением, нанесением из газовой фазы и т.д.

Эти материалы позволяют существенно увеличить сорбционную емкость по воде (до 75-85 г на 100 г сухого сорбента), понизить температуру десорбции до 50^oC и энергозатраты на получение 1 моль воды до 11-12 ккал, что превышает теплоту испарения жидкой воды всего в 1,1-1,2 раза. При использовании этих сорбентов процесс получения воды существенно упрощается по сравнению с известным способом [3] при одновременном уменьшении энергозатрат примерно в 2 раза.

Процесс осуществляют следующим образом (фиг. 1).

Поток атмосферного воздуха самотеком или с помощью вентилятора 1 пропускают через упомянутый выше композитный сорбент, помещенный в адсорбер 2. Воздух отдает сорбенту влагу, возвращаясь осушенным в окружающую среду. Цикл извлечения сорбированной воды также является открытым и осуществляется путем нагрева сорбента с созданием в его объеме насыщенных паров воды и их сдувом атмосферным воздухом, который пропускается самотеком или с помощью того же вентилятора 1 через насыщенный влагой сорбент. При этом либо сам воздух, либо сорбент нагревают от внешнего источника тепла 3, которым могут быть солнце, электричество, а также тепло выхлопных газов и системы охлаждения различных двигателей и т.п. (в зависимости от локальной доступности энергетических ресурсов). Поскольку предлагаемые сорбенты обладают способностью легко отдавать сорбированную воду, процесс десорбции можно проводить при температуре 50-80^oC. При этом концентрация паров воды в продуваемом воздушном потоке близка к насыщенной, что затем позволяет их легко конденсировать в конденсаторе 4 при температуре окружающей среды (15-20^oC).

Эффективное поглощение воды на стадии адсорбции обеспечивается именно гигроскопичным веществом, помещенным в поры, поскольку многие безводные соли, например CaCl₂, LiBr, MgCl₂ и т.д. и их кристаллогидраты активно поглощают воду за счет образования с ее молекулами химической связи (соединений типа CaCl₂· nH₂O) [5] В растворах неорганических солей (особенно сильных электролитов) повышение эффективности поглощения воды связано со взаимодействием молекул воды с ионами диссоциированной соли. Общее поглощение воды может при этом составлять 75-85 г на 100 г сухого композитного сорбента. При этом сорбированная солями, их кристаллогидратами и/или растворами вода образует достаточно жесткие структурные образования с низкой энтропией. Поэтому обратный выход воды в газовую фазу, существенно увеличивая энтропию молекул воды, оказывается термодинамически выгодным уже при незначительном повышении температуры в системе. Именно этот фактор обеспечивает эффективное извлечение сорбированной воды уже при температурах около 50^oC. С использованием упомянутых композитных сорбентов предлагаемый метод получения пресной воды из окружающего воздуха может быть осуществлен в широком диапазоне температур и влажности атмосферного воздуха, что обеспечивает возможность его повсеместного использования с производительностью 1 кг воды на 2-4 кг сухого сорбента в сутки.

Пример 1 (для сравнения). В цилиндрический адсорбер диаметром 50 мм и высотой 250 мм загружают 192 г силикагеля с размером пор 150 и удельной поверхностью 350 м²/г. При температуре 18-20^oC через реактор пропускают воздух, содержащий пары воды с парциальным давлением 11,9 мм рт. ст. Расход воздуха составляет 600 л/ч. После 30 ч насыщения количество сорбированной воды составляет 38 г. После этого реактор нагревают до 60^oC за счет использования электрической энергии и пропускают через него воздух с тем же содержанием воды и расходом 200 л/ч. На выходе из реактора пары десорбированной воды конденсируют в конденсаторе (Т_конд 15^oC) и собирают в приемнике. После 24 ч десорбции потеря массы сорбентом составила 17 г, а в приемнике собралось 11 мл воды.

Пример 2. Условия аналогичны примеру 1, но в адсорбер загружают 265 г сорбента, содержащего 200 г силикагеля с размером пор 150 и удельной поверхностью 350 м²/г и 65 г хлорида кальция. После 30 ч насыщения количество сорбированной воды составляет 155 г или 59 мас. После 24 ч десорбции потеря массы сорбентом составила 90 г, а в приемнике собралось 71 мл воды.

Пример 3. Условия аналогичны примеру 2, но температура десорбции составляет 80^oC. После 24 ч десорбции потеря массы сорбентом составляет 125 г, а в приемнике собралось 110 мл воды.

Пример 4. Условия аналогичны примеру 2, но температура десорбции составляет 50^oC. Нагрев осуществляли при помощи бытового рефлектора, иммитировавшего гелиоконцентратор. После 24 ч десорбции потеря массы сорбентом составляет 75 г, а в приемнике собралось 44 мл воды.

Пример 5. Условия аналогичны примеру 3, но в адсорбер загружают 287 г сорбента, содержащего 200 г силикагеля с размером пор 150 и удельной поверхностью 350 м²/г и 87 г двухводного хлорида кальция (кристаллогидрат CaCl₂ · 2H₂O). После 24 ч десорбции потеря массы сорбентом составляет 115 г, а в приемнике собралось 93 мл воды.

Пример 6. Условия аналогичны примеру 3, но в адсорбер загружают 265 г сорбента, содержащего 200 г силикагеля с размером пор 150 и удельной поверхностью 350 м²/г и 120 г водного раствора хлорида кальция с массовой концентрацией 48 После 24 ч десорбции потеря массы сорбентом составляет 55 г, а в приемнике собралось 50 мл воды.

Пример 7. Условия аналогичны примеру 2, но в адсорбер помещают 305 г сорбента, содержащего 200 г силикагеля с размером пор 150 и удельной поверхностью 350 м²/г и 105 г безводного бромида лития. После 24 ч насыщения количество сорбированной воды составляет 120 г. После 24 ч десорбции потеря массы сорбентом составляет 70 г, а в приемнике собралось 57 мл воды.

Пример 8. Условия аналогичны примеру 7, но температура десорбции 80^oC. Нагрев осуществляли при помощи жидкостного теплообменника, иммитировавшего систему охлаждения автомобильного двигателя. После 24 ч десорбции потеря массы сорбентом составила 110 г, а в приемнике собралось 90 мл воды.

Пример 9. Условия эксперимента аналогичны примеру 4, загрузка сорбента 287 г, парциальное давление паров воды в используемом воздухе 5,61 мм рт. ст. После 24 ч насыщения количество сорбированной воды составило 140 г. После 24 ч десорбции потеря массы сорбентом составила 76 г, а в приемнике собралось 65 мл воды.

Пример 10. Условия эксперимента аналогичны примеру 9, температура десорбции 80^oC. После 24 ч десорбции потеря массы сорбентом составила 110 г, а в приемнике собралось 80 мл воды.

Пример 11. Условия аналогичны примеру 3, но в адсорбер загружают 280 г сорбента, содержащего 215 г оксида алюминия с размером пор 250 и удельной поверхностью 180 м²/г и 75 г безводного хлорида кальция. После 24 ч насыщения количество сорбированной воды составило 155 г. После 24 ч десорбции потеря массы сорбентом составляет 125 г, а в приемнике собралось 105 мл воды.

Пример 12. Условия аналогичны примеру 3, но в адсорбер загружают 241 г сорбента, содержащего 185 г углеродного сорбента с размером пор 20-220 и удельной поверхностью 380 м²/г и 56 г безводного хлорида кальция. После 24 ч насыщения количество сорбированной воды составило 128 г. После 24 ч десорбции потеря массы сорбентом составляет 96 г и было собрано 82 мл воды.

Пример 13. Условия эксперимента аналогичны примеру 2, но температура конденсатора 20^oC. После 24 ч десорбции потеря массы сорбентом составила 90 г, а в приемнике собралось 48 мл воды.

Пример 14. Условия аналогичны примеру 3, но в адсорбер загружают 463 г сорбента, содержащего 395 г порометалла с размером пор около 15000 и удельной поверхностью 3,8 м²/г и 68 г безводного хлорида кальция. После 24 ч насыщения количество сорбированной воды составило 96 г. После 24 ч десорбции потеря массы сорбентом составляет 67 г, а в приемнике собрано 59 мл воды.

Как видно из примеров, предлагаемый способ действительно позволяет решить задачу повышения производительности получения пресной воды из атмосферного воздуха и уменьшения энергозатрат. При этом эффективное извлечение воды может быть осуществлено в широком диапазоне температур и влажности атмосферного воздуха, что обеспечивает возможность повсеместного использования этого метода.

Формула изобретения

1. Способ получения воды из воздуха, состоящий в поглощении влаги из воздуха при его продуве через сорбент с последующей десорбцией влаги при нагреве сорбента и конденсацией воды, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют материал, состоящий из пористой матрицы с открытыми порами и помещенного в поры гигроскопичного вещества.

2. Способ по 1, отличающийся тем, что в качестве пористой матрицы используют неорганические оксиды, углеродные сорбенты, полимеры, природные сорбенты, порометаллы, пористые композиты или их смеси.

3. Способ по 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве гигроскопического вещества в поры помещают неорганические соли, их смеси, их растворы или их кристаллогидраты.

4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что нагрев сорбента на стадии десорбции воды осуществляют до 50 80^oС.

5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что нагрев сорбента на стадии десорбции воды осуществляют за счет использования солнечной или электрической энергии, а также тепла различных двигателей.

6. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что температура в конденсаторе близка к температуре окружающей среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2