УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ВОДЫ ИЗ ГАЗА
APPARATUS AND METHOD FOR ABSORBING WATER FROM GAS

Изобретение относится к устройству, способу и их использованию для выделения воды из газов или очистки воды.
Доступ к чистой воде является жизненно важным для человека и животных, и на сегодняшний день в связи с ростом населения, изменениями в образе жизни, более широком использовании воды для орошения, вода является дефицитным продуктом в значительной части мира.
Первичными источниками пресной воды являются грунтовые воды, реки и озера. Такая вода не содержит солей, и чтобы применять ее в качестве питьевой воды и для сельскохозяйственных нужд, необходимо лишь очистить ее от грязи и микробов с помощью процессов, требующих мало энергии. Страны, которые не имеют возможности для дополнительного использования грунтовых вод, и у которых нет других эксплуатируемых природных запасов пресной воды, вынуждены получать пресную воду из морской воды. Прежде чем морская вода может быть использована человеком в качестве питьевой воды или для орошения в сельском хозяйстве, сначала она должна быть обессолена с помощью обессоливающих энергоемких процессов. Источники энергии на сегодняшний день основаны на ископаемом топливе, которое вызывает экологический ущерб в виде загрязнения окружающей среды и увеличения глобального потепления. Кроме того, процесс обессоливания производит высококонцентрированные солевые отходы, которые очень токсичны как для растений, так и для животных.
Альтернативным способом преодоления дефицита пресной воды является выделение воды, присутствующей в воздухе. Сегодня существует несколько известных и доступных способов для конденсации воды из воздуха. Эти способы обычно основаны на использовании гигроскопичных материалов, удерживающих влагу, которая присутствует в воздухе. Вода может быть выделена из гигроскопичного материала в жидком виде с помощью различных циклов нагревания и охлаждения. Процессы нагревания и охлаждения воздуха, соответственно, требуют относительно большого количества энергии. Поэтому они не являются конкурентоспособной альтернативой крупномасштабному производству пресной воды из морской воды.
Предшествующий уровень техники включает в себя несколько различных подходов для выделения воды из воздуха. DEI 02006038983 относится к способу, который использует жидкий сорбент с гигроскопичной солью и устройство, создающее давление. Оба способа, CN 101 100866 и RU2230858, описывают системы, для которых требуются различные системы охлаждения, в то время как WO 9907951 относится к системе с вакуумным насосом, который сбрасывает пар в конденсатор. US2, 138,689 относятся к способу получения воды из атмосферы путем выдержки древесины на воздухе в течение ночи. После чего древесина помещается в закрытое пространство, где воздух и древесина подогреваются солнцем. Нагретый воздух насыщается влагой и проходит через канал в конденсатор, после чего собирается сконденсированная вода. Воздух возвращается в закрытое пространство, чтобы впитать больше влаги.
Настоящее изобретение относится к устройству, использованию устройства и способу производства и очистки воды. Изобретение значительно снижает количество энергии, необходимой для процессов конденсации воды из воздуха. Настоящее изобретение использует термодинамические свойства воздуха, например, его способность сохранять воду в газообразной фазе при различных давлениях в герметичных контейнерах. Поскольку данный процесс требует значительно меньше энергии для конденсации воды из воздуха, чем современные способы, расход энергии на единицу добываемой воды уменьшается.
Когда контейнер открыт, гигроскопичный материал подвергается воздействию непрерывного или прерывистого потока газа и тем самым находится в постоянном контакте с влагой, которая поглощается материалом. Количество воды, которое может абсорбировать гигроскопичный материал, зависит, например, от свойств материала, температуры и относительной влажности газа.
Одним аспектом настоящего изобретения является устройство для выделения воды из газа, содержащее контейнер по меньшей мере с одним герметизированным отверстием, по меньшей мере одной крышкой, по меньшей мере одним гигроскопичным материалом и устройством подачи энергии, причем контейнер изготовлен из теплопроводного материала.
В другом варианте осуществления стенки контейнера полностью или частично изготовлены из гидрофобного материала или покрыты им.
Еще в одном варианте осуществления вентилятор или насос обеспечивает поток газа в контейнер.
Другой вариант осуществления содержит устройство подачи энергии, с использованием принципа микроволновой печи, или электронагрева за счет сопротивления металлического провода, или солнечной энергии.
Другой вариант осуществления содержит управляющий механизм герметизации крышки. Управляющий механизм отвечает за количество воды, поглощенной гигроскопичным материалом, и соединен с устройством подачи энергии.
В другом варианте осуществления крышка является обратным клапаном, который может открываться потоком газа, чему способствует, например, вентилятор, или насос, или ветер, и закрываться, когда поток газа прекращается.
Второй аспект настоящего изобретения относится к использованию устройства для полива, ирригации, производства воды, устройств поддержания микроклимата помещений, кондиционирования или снижения влажности.
Третий аспект настоящего изобретения относится к способу выделения воды из газа с помощью контейнера, который содержит, по меньшей мере, одно отверстие, по меньшей мере, один гигроскопичный материал, по меньшей мере, одно устройство подачи энергии и по меньшей мере одну крышку, и включает в себя:
- подачу в контейнер газа, содержащего воду,
- абсорбирование воды на поверхности или внутри гигроскопичного материала,
- герметизацию контейнера крышкой,
- нагревание гигроскопичного материала до тех пор, пока не произойдет насыщение газа в контейнере водой в газообразном состоянии,
- продолжение нагревания до тех пор, пока оставшаяся поглощенная вода в гигроскопичном материале ни перейдет в жидкое состояние без предварительного испарения.
В другом варианте осуществления подача газа обеспечивается с помощью вентилятора, или насоса, или ветра.
В другом варианте осуществления давление в герметичном контейнере уменьшается.
Еще в одном варианте осуществления газ охлаждается непрерывным или прерывистым способом, чтобы поддерживать разность температур между газом и водой, сорбированной поверхностью или объемом гигроскопичного материала. Охлаждение может быть выполнено активно, с использованием устройства охлаждения, или пассивно через теплопроводящий материал, из которого сделан контейнер.
В другом варианте осуществления контейнер сделан из неизоляционного материала и/или теплопроводного материала, а в другом варианте осуществления стенки контейнера полностью или частично изготовлены из гидрофобного материала или покрыты им. Стенки и дно контейнера в одном варианте осуществления могут быть сделаны таким образом, чтобы сконденсированная вода объединялась в большие капли, а затем собиралась для облегчения слива воды.
В одном варианте осуществление движение крышкой может управляться механизмом. Чтобы определить, когда крышка должна быть открыта или закрыта, предпочтительно этот механизм также соединить с гигроскопичным материалом.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:
Фиг.1. Поперечное сечение контейнера в соответствии с настоящим изобретением, когда контейнер открыт.
Фиг.2. Поперечное сечение контейнера в соответствии с настоящим изобретением, когда контейнер закрыт, при этом производится пар и абсорбированная вода переходит в жидкое состояние.
Фиг.3. Поперечное сечение контейнера в соответствии с настоящим изобретением, содержащим дренирующий элемент и механизм управления.
Фиг.4. Поперечное сечение контейнера в соответствии с настоящим изобретением, в котором контейнер содержит обратные клапаны и вентиляторы или насосы.
Фиг.5. Поперечное сечение контейнера в соответствии с настоящим изобретением, в котором контейнер содержит насос.
Фиг.6. Поперечное сечение гигроскопичного материала.
Термин "крышка" в настоящем изобретении должен быть истолкован как устройство, которое накрывает, закрывает, замыкает и/или герметизирует отверстие. Этот термин также включает в себя клапаны, такие как обратные клапаны.
В настоящем приложении термины "адсорбция" и "адсорбированная" включает в себя все формы сорбции.
В настоящем приложении термин "контейнер" не ограничивается геометрической формой или размером и включает в себя, но не ограничивается, такими терминами, как труба, трубка, емкость и резервуар.
В настоящем приложении термины "в связи с" и "связан с" относится к физическим, а также к оптическим или цифровым соединениям.
Настоящее изобретение основано на том, что гигроскопичный материал, заключенный в контейнер, поглощает воду из окружающего газа, предпочтительно воздуха, и, предпочтительно, до температуры насыщения. Таким образом, после того как гигроскопичный материал абсорбирует воду, контейнер герметизируется с помощью крышки или любой подходящей заглушки, после чего гигроскопичный материал нагревается. Герметизация должна быть выполнена таким образом, чтобы объем газа, находясь в герметичном контейнере, не расширялся при нагревании. Производственный процесс управляется за счет разницы давления паров воды в газе и воды, поглощенной гигроскопичным материалом. Количество воды, выделенное из гигроскопичного материала в окружающую среду, может быть описано как:
dm/dt=CAΔP=CA(P
(T
)-P
(T
))
1
1
2
2
,
где С - константа материала, А - поверхность соприкосновения газа с гигроскопичным материалом и Р - давление пара. Когда газ насыщен, то есть имеет 100% относительную влажность, давление пара поглощенной воды в гигроскопичном материале может быть еще выше. Более высокое давление пара и насыщенность газа заставляет поглощенную воду переходить в жидкое состояние. Настоящее изобретение уменьшает количество необходимой энергии, поскольку вместо испарения поглощенной воды в настоящем изобретении требуется только энергия для разрыва связи между водой и гигроскопичным материалом. Это является результатом того, что для испарения требуется энергия как для разрыва связи между абсорбированной водой и гигроскопичным материалом, так и для испарения воды.
В отличие от предшествующего уровня техники настоящее изобретение, таким образом, не зависит от внутренней циркуляции воздуха или функционирования систем охлаждения. Использование не изолирующего или теплопроводного материала в настоящем изобретении делает ненужным использование системы охлаждения.
Во время нагрева гигроскопичного материала вода, поглощаемая поверхностью или объемом материала, будет испаряться. Когда окружающий газ насыщается влагой, дополнительный нагрев вызывает переход части поглощенной воды из абсорбированного в свободное жидкое состояние, фиг.2. Дополнительно, поскольку стенки выполнены из теплопроводного материала (или не изолирующего материала), испаренная вода может конденсироваться на стенках, сдвигая равновесие и способствуя испарению большего количества воды из гигроскопичного материала. Стенки контейнера могут быть сделаны из металлов или сплавов, но не ограничены этими материалами.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения, устройство содержит насос для снижения давления в контейнере, когда контейнер является герметичным. Насос может заменить подачу энергии или нагревательное устройство или может быть дополнением к устройству подачи энергии или нагревательному устройству. Когда крышка герметично закрывает контейнер, насос позволяет снизить давление в герметичном контейнере для смещения баланса давления паров между газом в контейнере и в гигроскопичном материале. При этом вода конденсируется и может быть легко собрана. Давление в герметичном контейнере может быть уменьшено с использованием насоса или любым другим подходящим средством. Если устройство также содержит устройство подачи энергии, снижение давления может быть сделано до, во время или после нагрева гигроскопичного материала. Устройство подачи энергии может дополнительно содержать микроволновый генератор или резистивное нагревательное устройство или установку поглощения солнечной энергии.
Если температура снаружи контейнера низкая, температура контейнера, и соответственно газа, будет низкой, и газ в контейнере не будет способен поддерживать столько воды, и вместо этого, вызовет снижение давление паров при насыщении. Высокая температура в гигроскопичном материале более предпочтительна для создания более высокого давления пара. Кроме того, чем ниже температура газа, тем быстрее идет процесс, и тем больше воды может быть произведено.
Энергия может подводиться к поглощенной воде в гигроскопичном материале в виде тепла, как упоминалось выше, но также и в виде микроволновой или ультразвуковой энергии или их комбинации. Микроволновое или ультразвуковое устройство передачи энергии могут быть расположены рядом с гигроскопичным материалом или на боковых стенках контейнера, или на крышке.
Предпочтительно иметь как можно большую поверхность контакта между гигроскопичным материалом и газом. Таким образом, материал может иметь пористую форму или структуру, иметь форму пластинок, слоев, кругов, зерен или гранул, или их комбинаций.
Настоящее изобретение содержит контейнер 1, имеющий, по меньшей мере, одно отверстие 2, которое может быть загерметизировано с помощью крышки 3 или любым другим подходящим способом. Крышка может быть, например, обратным клапаном. По меньшей мере один гигроскопичный материал 4 находится внутри контейнера и/или в крышке. Контейнер, в том числе крышка, могут быть изготовлены из непрозрачного материала, однако небольшое окно для наблюдения может быть расположено в крышке или на стенках контейнера. Гигроскопичные материалы могут быть сделаны из одного материала или смеси различных гигроскопичнх материалов. Устройство 5 подачи энергии используется для нагрева гигроскопичного материала внутри герметичного контейнера. Это устройство 5 может также функционировать в качестве охлаждающего устройства, но в данном документе именуется как устройство подачи энергии. Устройством подачи энергии можно маневрировать с помощью электричества, топливных элементов, солнечной энергии или любым другим способом, и тепло может поставляться посредством электричества, микроволн (например, по принципу микроволновой печи) или с помощью солнечной энергии. Устройство подачи энергии также может быть соединено с механизмом 7 управления крышкой, чтобы оптимизировать процесс, когда крышка должна быть открыта и закрыта, и когда должен начаться процесс подачи энергии. Дополнительно, контейнер предпочтительно конструируется таким образом, что объем газа в герметичном контейнере остается практически постоянным в течение подачи энергии. Это может быть достигнуто закреплением или блокировкой крышки после закрытия или с использованием обратного клапана в крышке.
Иными словами, механизм 7 управления предпочтительно управляет крышкой 3 и устройством 5 подачи энергии. Когда используется вентилятор или насос, механизм управления может быть подключен к вентилятору или насосу, чтобы подходящим способом контролировать упомянутые вентилятор или насос, фиг.4. Предпочтительно, чтобы крышка была закрыта и герметична, когда гигроскопичный материал насыщается водой. Дополнительно, механизм управления предпочтительно подключать к устройству подачи энергии и гигроскопичному материалу, чтобы контролировать подачу энергии и охлаждение. Соединение может быть реализовано в форме физического соединения, но не ограничиваясь этим, и/или за счет использования различных датчиков. Датчики могут выполнять функцию контроля температуры в гигроскопичном материале для оптимизации начала и окончания подачи энергии, а также управлять температурой в материале для регулирования ее с учетом количества поглощенной воды, температуры окружающей среды и так далее. Предпочтительно, чтобы датчики в гигроскопичном материале были чувствительны к температуре или гигроскопическому уровню. При достижении заданного уровня механизм управления активирует закрытие или открытие крышки и активирует подачу энергии и охлаждение. Если используется вентилятор или насос 8, включение и выключение вентилятора или насоса предпочтительно управляется с помощью механизма контроля. Например, когда достигается определенный гигроскопичный уровень в гигроскопичном материале, включается вентилятор. Это также может быть использовано, когда крышка оснащена обратным клапаном и включение и отключение вентиляторов/насосов открывает и закрывает обратный клапан, фиг.4.
Стенки и дно контейнера предпочтительно должны быть выполнены таким образом, чтобы собирать воду в жидком состоянии, как показано на фиг.3. Это может быть достигнуто устройством канавок, траншей, каналов и т.п. внутри или вдоль стен контейнера, при этом они дополнительно могут продолжаться вдоль нижней панели контейнера к точке сбора. Эти канавки, траншеи или каналы можно сделать из гидрофобного материала. Нижняя плита может быть устроена таким образом, чтобы собирать всю воду со стен и из гигроскопичного материала. Это может быть достигнуто, когда дно имеет наклон в одной или нескольких точках, на фиг.3. Контейнер предпочтительно имеет дренажный элемент 6, который может являться отводом, патрубком, выходным отверстием, но не ограничивается данными элементами.
На фиг.5 показано настоящее изобретение, в котором расположено устройство 12 снижения давления. Этим устройством может быть, например, насос. Место ввода в насос может быть расположено в нижней части контейнера, в стенках контейнера или в крышке. Там также может быть расположено более, чем один насос или более чем один ввод, например, один, два или три насоса или ввода, предпочтительно расположенные в разных местах в контейнере. В одном варианте осуществления вентилятор или насос 8 и устройство 12 снижения давления являются одним и тем же устройством.
Гигроскопичный материал предпочтительно помещается в контейнер и/или в крышку. Материал может быть размещен вдоль стенок контейнера и/или предпочтительно отделен от стенки. Предпочтительно, контейнер изготавливается из теплопроводного и/или не изолирующего материала. Дополнительно, контейнер, включая крышку, предпочтительно изготавливаются таким образом, чтобы разница температур между газом и гигроскопичным материалом была как можно большей.
3
Гигроскопичный материал может быть размещен в каркасе 10, и устройство подачи энергии может быть частично расположено в гигроскопичном материале, показанном здесь в виде черных точек 4. Торцевая часть устройства 9 подачи энергии, расположенного в гигроскопичном материале, может иметь различную форму, как показано на фиг.6. На фиг.6а концевая часть имеет форму Y или вилки, тогда как на фиг.6b концевая часть устройства 9 имеет главным образом плоскую прямоугольную поверхность, и на фиг.6с концевая часть состоит из нескольких проводов. При размещении концевой части устройства 9 в гигроскопичном материале, нагрев становится намного более эффективным и более равномерно распределенным, по сравнению с тем, как если нагревается весь контейнер или если, например, нагревается только один конец гигроскопичного материала. На фиг.6d показано, как в целях поддержания тепла и/или подведения дополнительной энергии или тепла к гигроскопичному материалу добавлены маленькие металлические или теплопроводящие частицы 11. Гигроскопичный материал может содержать молекулярные фильтры, активированный уголь, цеолит, силикагель, LiCl, CaCl, NANO, дерево, сульфаты или любой подходящий материал, известный специалисту в данной области, или также комбинацию этих материалов.
Настоящее изобретение предназначено для выделения воды из газа, предпочтительно из воздуха, или для производства воды, или удаления воды из газа. Последнее может быть использовано, например, но не ограничиваясь этим, для снижения влажности в помещениях или в устройствах кондиционирования воздуха.