Способ получения воды из атмосферного воздуха в засушливых и безводных районах с использованием солнечной энергии

 

Изобретение относится к способам получения воды из водяного пара атмосферного воздуха и может быть использовано в засушливых и безводных районах. Способ включает естественное охлаждение атмосферного воздуха, контактирование его с гигроскопичным материалом и последующий отвод воды, при этом в качестве гигроскопичного материала используют микропористый адсорбент с S-образной изотермой адсорбции паров воды, имеющей резкий подъем поглощения в диапазоне относительных давлений: Р/Р_нас.=0,2-0,8, где Р - парциальное давление паров воды, Р_нас. - давление насыщенных паров воды при данной температуре. При этом после контактирования микропористого адсорбента с атмосферным воздухом микропористый адсорбент нагревают, а выделяющиеся пары воды охлаждают до температуры конденсации. Способ обеспечивает эффективную конденсацию паров воды на охлаждаемой (или на не нагреваемой) поверхности. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способам получения воды из водяного пара атмосферного воздуха с использованием солнечной энергии и может быть использовано в засушливых и безводных районах.

Известен способ получения питьевой воды из воздуха путем осаждения паров воды на естественно охлаждаемых поверхностях, прорытых в толще земли каналов (1).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ получения питьевой воды в засушливых и безводных районах с использованием солнечной энергии, включающий естественное охлаждение атмосферного воздуха и осаждение водяного пара на поверхности, выполненной в виде подвижной ленты из водонепроницаемой пленки с внешней ворсистой поверхностью, и последующий отжим воды из ленты (2).

Недостатком известных способов является низкая эффективность сбора воды из-за незначительного осаждения паров воды на естественно охлаждаемых поверхностях и, кроме того, известные способы могут быть реализованы только там, где в ночные часы относительная влажность воздуха превышает 100% (Р/Р_нас.>1).

В засушливых и безводных районах, где несколько лет не выпадало дождя, влажность воздуха в ночные часы не превышает 70-80%, что исключает возможность использования известных способов, основанных на естественном охлаждении воздуха до точки росы (Р/Р_нас.>1) и последующей конденсации воды на развитой (ворсистой гигроскопичной) поверхности с дальнейшей ее утилизацией.

Однако при влажности 70-80% и при температуре 25-35°С в одном кубическом метре воздуха содержится порядка 20 мл воды в виде водяного пара.

Так как средняя скорость ветра в пустыне равна 3-5 м/с, то через 1 м² поверхности, перпендикулярной земле, ежесекундно переносится порядка 0,06-0,1 л воды, а в сутки эта величина составит 86400×(0,06-0,1)≈5-8 т воды. Утилизация даже части от этой величины открывает неограниченные возможности для освоения пустующих, богатых солнечной энергией территорий. Расчеты показывают, промышленная установка с вертикальной площадью 2000 м², с реально достижимым кпд порядка 1%, позволяет получать в сутки 100-160 т чистой дистиллированной питьевой воды.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что в известном способе получения воды из атмосферного воздуха в засушливых и безводных районах с использованием солнечной энергии, включающем естественное охлаждение атмосферного воздуха, контактирование его с гигроскопичным материалом и последующий отвод воды, согласно изобретению в качестве гигроскопичного материала используют микропористый адсорбент с S-образной изотермой адсорбции паров воды, имеющей резкий подъем поглощения в диапазоне относительных давлений:

Р/Р_нас.=0,2-0,8,

где Р - парциальное давление паров воды;

Р_нас. - давление насыщенных паров воды при данной температуре;

при этом после контактирования микропористого адсорбента с атмосферным воздухом микропористый адсорбент нагревают, а выделяющиеся пары воды охлаждают до температуры конденсации.

При этом в качестве микропористого адсорбента используют активированный уголь, силикагель или цеолит.

Причем перед нагреванием микропористый адсорбент герметизируют в замкнутом объеме.

Кроме того, после герметизации микропористого адсорбента в замкнутом объеме создают разрежение не ниже давления насыщенных паров воды при температуре конденсации.

У предлагаемых микропористых адсорбентов резкий скачок поглощения паров воды наступает уже при относительном давлении паров воды 0,4-0,7, что соответствует влажности 40-70%.

Физическая сущность предлагаемого способа заключается в том, что микропористый адсорбент с резким скачком поглощения паров воды при относительных давлениях Р/Р_нас.=0,2-0,8 является как бы “катализатором” конденсации паров воды, накапливая их в своем объеме до огромных значений (порядка 1 кг воды на 1 кг адсорбента) при охлаждении, а при нагревании выделяет пары воды, резко повышая парциальное давление паров воды в окружающем пространстве, обеспечивая повышение влажности >100% (точка росы), а следовательно, и эффективную конденсацию на охлаждаемой (или на не нагреваемой) поверхности.

Такой способностью обладают микропористые адсорбенты из активированного угля, силикагеля или цеолита.

Дальнейшее повышение эффективности обеспечивается тем, что перед нагреванием микропористый адсорбент герметизируют в замкнутом объеме. При этом исключается диффузия паров воды в окружающую среду при нагреве и, следовательно, повышение скорости конденсации паров воды и количества воды в жидкой фазе.

Если в герметизированном объеме создать разряжение, скорость конденсации паров воды увеличится пропорционально снижению давления в замкнутом объеме из-за снижения мешающего (экранирующего) влияния молекул воздуха. Если некоторое непродолжительное время откачивать воздух из замкнутого объема при давлении, равном давлению насыщенных паров воды, то из замкнутого объема будут откачаны практически все молекулы воздуха, уменьшающие скорость конденсации. Это объясняется тем, что выделяющиеся из микропористого адсорбента молекулы воды будут вытеснять молекулы воздуха в зону откачки, откуда они будут выброшены в атмосферу. На этом принципе действуют пароструйные (паромасляные) вакуумные насосы. Скорость конденсации при этом станет максимально возможной.

Однако разрежение не должно быть ниже давления насыщенных паров воды при температуре конденсации, т.к. в противном случае из замкнутого объема будут откачиваться пары воды, что уменьшит количество сконденсированной воды.

Способ осуществляют следующим образом.

Емкость, заполненную микропористым адсорбентом, например активированным углем, силикагелем или цеолитом, устанавливают таким образом, чтобы атмосферный воздух проходил через емкость и контактировал с микропористым адсорбентом. Тип, количество и интенсивность доставки к нему атмосферного воздуха подбирают расчетным или экспериментальным путем таким образом, чтобы за ночные часы суток микропористый адсорбент поглотил максимальное количество паров воды, желательно до полного насыщения адсорбента. В утренние часы, когда температура атмосферного воздуха и емкости с микропористым адсорбентом начинает повышаться, достигая максимума во второй половине дня по действием солнечных лучей.

При этом происходит десорбция паров воды из адсорбента и парциальное давление паров воды резко возрастает, что обусловлено резким скачком сорбции-десорбции паров воды используемым микропористым адсорбентом в узком диапазоне изменения относительного давления паров воды. Выделившийся водяной пар конденсируется на более холодных участках емкости, как и в известных способах (например, нижняя часть емкости может быть заглублена в землю, где температура значительно ниже, чем под прямыми солнечными лучами), а вода отводится для использования.

Если емкость, в утренние часы, перед нагреванием герметизировать, то уменьшится диффузия выделяющихся при нагреве паров воды в окружающую атмосферу и эффективность конденсации, а также количество получаемой воды увеличится. Кроме того, выделившийся водяной пар можно по трубопроводу отвести в дополнительную емкость, температура в которой ниже, чем в емкости с микропористым адсорбентом. Дополнительная емкость, например, может быть заглублена в грунт, где температура значительно ниже, чем на дневной поверхности. Можно охлаждать дополнительную емкость другими известными способами.

Откачка из герметизированной емкости воздуха известными способами, например при помощи форвакуумных насосов, имеющих производительность порядка 5-10 л/с, значительно повышает скорость конденсации водяного пара, однако при этом разряжение не должно быть ниже давления насыщенных паров воды при температуре конденсации. Если этого не соблюдать, то после откачки воздуха из герметизированного объема будут откачиваться пары воды, что снизит количество полезного продукта - воды. Практически необходимо после герметизации один раз откачать замкнутый объем и больше не откачивать до окончания процесса. Если технически трудно обеспечить высокую герметичность процесса, то необходимо периодически включать откачную установку, постоянно контролируя давление известными способами.

Проведем ориентировочный, упрощенный расчет эффективности предлагаемого способа для 1 м³ микропористого адсорбента в виде активированного угля.

Принимаем объемную плотность угля равной 1 г/см³, т.е. масса 1 м³ угля будет равна 1000 кг.

Считаем упрощенно, что время отсутствия солнечного освещения равно 12 часов.

Принимаем, что температура с вечера до утра понижается от 40°С до 25°С, а влажность повышается от 30% до 70% (реальные данные).

Считаем, что за 12 часов нам удалось известными способами обеспечить контактирование микропористого адсорбента с атмосферным воздухом и насыщение его парами воды до максимальной емкости при Т=25°С и влажности 70%, что соответствует парциальному давлению паров воды 17,5 торр. Максимальное количество поглощенной воды составит:

α_max =43 ммоль/г=43 моль/кг=43×18=0,774 кг/кг,

где 18 г/моль - молекулярная масса воды.

Следовательно, 1 м³ адсорбента будет содержать 774 литра воды. На графике фиг.1, кривая 1 иллюстрирует зависимость количества поглощенной активированным углем воды в зависимости от абсолютного давления паров воды (парциального давления) для температуры 25°С, а кривая 2 - для температуры 60°С. Прямая 3 показывает границу конденсации паров воды (точка росы) при температуре 20°С. Правее прямой 3 условия конденсации соблюдаются. Левее - нет.

Из анализа графика фиг.1 можно сделать вывод:

- если медленно и равномерно повышать температуру в емкости с размещенным в ней активированным углем, то и при температуре 60°С не будет происходить конденсации, т.к. относительное давление в емкости будет поддерживаться на уровне Р/Р_нас.=0,5-0,6 (свойство адсорбента);

- если в герметизированной емкости (или в дополнительно подсоединенной к ней емкости) температура каких-либо участков будет ниже 45°С, то в этих местах будет происходить конденсация паров воды.

Это объясняется тем, что при температуре 60°С и относительном давлении 0,5-0,6 абсолютное давление паров воды будет равно 75 торр, что соответствует 100% влажности (точке росы) при температуре 45°С и ниже.

В таблице приведена зависимость давления насыщенных паров воды от температуры (4).

Следовательно, на всех участках замкнутого объема, где температура ниже 45°С, будет происходить конденсация паров воды. Наиболее интенсивно конденсация будет происходить в дополнительной емкости при температуре 20°С.

Отсюда также можно сделать вывод, что способ будет работать уже при разности температур 10-15°С между нагретым адсорбентом и зоной конденсации. Это подтверждает эффективность способа.

Конденсация будет происходить до тех пор, пока вся вода не выделится из адсорбента и не сконденсируется в жидкой фазе. Создание разрежения в замкнутом объеме увеличивает скорость конденсации.

Таким образом, заявляемый способ позволяет получить в течение суток с 1 м³ микропористого адсорбента порядка 700 литров воды, что известными способами недостижимо.

На основе заявляемого способа могут быть созданы мобильные и переносные устройства для обеспечения водой небольшой группы людей, что весьма актуально для проведения изыскательских и полевых работ в безводных районах.

Источники информации

1. Авт. св. SU № 69751, B 01 D 5/00, 1947.

2. Авт. св. SU № 582800, B 01 D 5/00, 1977 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ получения воды из атмосферного воздуха в засушливых и безводных районах с использованием солнечной энергии, включающий естественное охлаждение атмосферного воздуха, контактирование его с микропористым адсорбентом, нагрев и последующий отвод питьевой воды, отличающийся тем, что в качестве микропористого адсорбента используют микропористый адсорбент с S-образной изотермой адсорбции паров воды, имеющей резкий подъем поглощения в диапазоне относительных давлений:

Р/Р_нас=0,2-0,8,

где Р - парциальное давление паров воды;

Р_нас - давление насыщенных паров при заданной температуре,

при этом после контактирования микропористого адсорбента с атмосферным воздухом микропористый адсорбент нагревают за счет солнечной энергии, а выделяющиеся пары воды охлаждают до температуры конденсации вне зоны нагрева за счет естественного охлаждения окружающей средой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве микропористого адсорбента используют, например, активированный уголь, силикагель или цеолит.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед нагреванием микропористый адсорбент герметизируют в замкнутом объеме.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что после герметизации микропористого адсорбента в замкнутом объеме создают разрежение не ниже давления насыщенных паров воды при температуре конденсации.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 01.02.2009

Дата публикации: 10.07.2011

---