Устройство для опреснения морской воды
DEVICE FOR DESALINATION OF SEA WATER

Изобретение относится к устройствам для обработки морской воды по принципу обратного осмоса и может быть использовано для изготовления опреснительных станций для получения пресной воды для сельского хозяйства, промышленности и коммунального хозяйства непосредственно на морском побережье.
Ограниченные ресурсы пресной воды и все возрастающий ее дефицит на планете приводят к необходимости разработки устройств и новых технологий для очистки и дальнейшего использования опресненной морской воды для питья, полива, в бытовых и промышленных целях. Удаление минеральных солей из морской воды до предела, близкого к содержанию их в дистиллированной воде (несколько мг/л), называется обессоливанием, а удаление солей до концентраций, допустимых при применении воды для питья (до 1 г/л), - опреснением.
Известен способ опреснения морской воды, включающий испарение и конденсацию водяного пара с применением устройства для его реализации, которое содержит теплообменники, системы оборотного водоснабжения, тепловой насос, вакуумную камеру, расположенные в ней вращающиеся криволинейные каналы (патент RU 2359917 C1, C02F 1/04, опубл. 27.06.2009, бюл. №18).
Недостатками этого способа и устройства являются сложность конструкции и необходимые для ее реализации большие капитальные и эксплуатационные затраты.
В патенте RU 2199377 C1, B01D 63/00, опубл. 27.02.2003, бюл. №6, описано устройство для очистки воды путем мембранного разделения, содержащее первичный контур рециркуляции концентрата, в котором находится, по меньшей мере, одна камера очистки в виде устройства деионизирования, при этом поток жидкости является регулируемым с помощью клапана, а контур рециркуляции снабжен сливным клапаном. Вырабатываемая устройством высокоочищенная вода предназначена для приготовления диализирующей жидкости.
Недостатком устройства является то, что его изготовление и эксплуатация требуют больших затрат, в результате чего оно имеет ограниченное применение. К тому же, дезинфицирующее действие полученных электролизом кислородных радикалов и стабилизация кристаллов соединений кальция и магния в жидкости после отключения камеры очистки сохраняются лишь временно.
Известна система для опреснения морской воды с помощью солнечной энергии, содержащая средство забора морской воды из водоема, испаритель-опреснитель с сборно-разборной теплопоглощающей кровлей и разбрызгивателем, средство для утилизации опресненной воды и технологическую обвязку, объединяющую указываемые элементы, в качестве испарителя-опреснителя используют естественный или искусственный водоем с соленостью воды выше солености исходной воды (патент RU 2034787 C1, C02F 1/14, опубл. 10.05.1995, бюл. №13).
В качестве недостатков известной системы можно назвать сложность конструкции, а также то, что для ее функционирования необходимо наличие дополнительных источников энергии, таких как гидроэлектростанция, ветровые электрогенераторы, солнечные батареи - аккумуляторы. Это повышает капитальные затраты на строительство и расходы на эксплуатацию сооружения, что увеличивает стоимость опресненной воды.
Известно устройство для опреснения морской воды с использованием солнечной энергии для непрерывной подачи тепла, содержащее систему очистки морской воды и систему опреснения морской воды, которая содержит солнечное термическое устройство для концентрирования солнечной энергии и сбора тепла, бак для хранения тепла солнечной энергии, нагреватель очищенной морской воды и, по меньшей мере, одну стадию мгновенного испарителя морской воды (патент RU 2603799 C1, C02F 1/14, опубл. 27.11.2016, бюл. №33).
Однако недостатком данного устройства является сложность конструкции, длительность процесса опреснения, высокая стоимость опресненной воды и большие расходы на эксплуатацию, низкая эффективность и ограниченное по времени применение, связанные с зависимостью от количества солнечных дней в году.
Существенно меньших затрат по сравнению с выпариванием, методами кристаллизации, ректификации и другими при опреснении морской воды требует применение метода обратного осмоса.
Известна установка обратного осмоса, содержащая, по меньшей мере, один модуль обратного осмоса со входом для очищаемой воды, выходом для концентрата, выходом для пермеата (патент RU 2317138 С2, B01D 61/08, опубл. 20.08.2008, бюл. №5). Однако данной установке для работы требуется источник электроэнергии, она сложна по конструкции и также требует больших затрат в процессе эксплуатации.
В техническом отношении указанная установка обратного осмоса является наиболее близкой предлагаемому изобретению и принята за прототип.
Перед изобретением была поставлена задача упрощения конструкции устройства, повышения его надежности, снижения стоимости опресненной воды и затрат на эксплуатацию, использования для его работы возобновляемых источников энергии в виде энергии морских волн, а также расширения арсенала используемых средств для опреснения морской воды.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции устройства, повышение его надежности, снижение стоимости опресненной воды и затрат на эксплуатацию, расширение потребительских свойств, использование для обеспечения работы устройства возобновляемых источников энергии в виде энергии морских волн, а также расширение арсенала применяемых средств для опреснения морской воды.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для опреснения морской воды (далее - устройстве), включающем находящийся внутри закрепленного на рамной конструкции корпуса с всасывающим клапаном и клапаном для выпуска концентрата плунжерный насос, перемещение вертикально расположенного плунжера которого, содержащего работающий по принципу обратного осмоса скрученный в имеющий форму цилиндрической трубы рулон гибкий материал, представляющий собой мембрану обратного осмоса, в нижнее, выходящее за пределы корпуса положение, в процессе занятия которого осуществляется всасывание во внутреннюю часть корпуса морской воды, производится под действием его собственного веса, а подъем в верхнее положение для создания необходимого для получения пермеата давления морской воды внутри корпуса осуществляется посредством гибкой связи, с одного конца соединяемой с находящимся со стороны нижнего торца плунжера подъемным приспособлением, а с другого конца соединяемой с источником однонаправленного прерывистого движения в виде преобразователя энергии морских волн.
Под плунжерным насосом понимают модуль, содержащий плунжер, а под плунжером - вытеснитель цилиндрической формы, длина которого намного больше его диаметра. Пермеат - очищенная жидкость, прошедшая сквозь мембрану. Концентрат - жидкость с повышенным содержанием примесей после прохождения части жидкости в виде пермеата через мембрану, работающую по принципу обратного осмоса.
На чертеже условно показано устройство для опреснения морской воды, общий вид.
Устройство содержит корпус 1 с всасывающим клапаном 2, плунжерный насос, включающий плунжер 3 с находящимся внутри него отверстием 4 для пермеата, находящееся внутри корпуса 1 пространство 5 для подлежащей опреснению морской воды, клапан 6 для выпуска концентрата, Г-образное подъемное приспособление, предназначенное для подъема плунжера 3 в верхнее положение и состоящее из горизонтальной части 7 и вертикальной части 8, выполненной с возможностью соединения гибкой связью 9 с источником однонаправленного прерывистого движения в виде преобразователя энергии морских волн (не показан). Устройство закреплено на рамной конструкции 10. Пунктирными линиями показано нижнее положение плунжера 3 при отсутствии воздействия посредством гибкой связи 9 со стороны источника однонаправленного прерывистого движения.
Для обеспечения герметичности пространства 5 и исключения зазора между плунжером 3 и корпусом 1 в нижней части корпуса применяют радиальное уплотнение в виде уплотнительного кольца, закладываемого в кольцевую проточку (не показано).
Устройство работает следующим образом.
Работа предлагаемого устройства основана на явлении обратного осмоса, которое предполагает создание в пространстве 5 с очищаемой морской водой высокого давления посредством плунжера 3. Уровень создаваемого плунжером 3 давления значительно превышает осмотическое давление, что позволяет пропускать морскую воду сквозь полупроницаемую мембрану (плунжер 3) и задерживать растворенные низкомолекулярные вещества.
При отсутствии прерывистого однонаправленного воздействия на вертикальную часть 8 подъемного устройства со стороны гибкой связи 9 плунжер 3 под действием собственного веса опускается в нижнее положение. За счет создаваемого в пространстве 5 разряжения оно через открытый всасывающий клапан 2 заполняется подлежащей опреснению морской водой.
Под влиянием морских волн гибкая связь 9 натягивается и воздействует на вертикальную часть 8 подъемного устройства, которая по направляющим (не показаны) перемещается вверх вместе с горизонтальной частью 7 и плунжером 3. При этом увеличивается давление воды в пространстве 5. Всасывающий клапан 2 закрывается, не давая опресняемой воде выйти наружу. В закрытом положении находится и клапан 6, подпираемый горизонтальной частью 7 приспособления для подъема плунжера 3 в верхнее положение.
Движение плунжера 3 вверх - вниз обеспечивает непрерывное попадание в пространство 5 внутри плунжера 3 очищенной (опресненной) морской воды.
Предлагаемым устройством предусматривается перекрестный поток опресняемой морской воды. При фильтрации поток морской воды движется параллельно поверхности мембраны, смывает накапливающийся на стенках мембраны осадок из задерживаемых частиц и уходит из пространства 5 через открытый клапан 6. Указанное позволяет снизить толщину слоя осадка на мембране. Используемый в устройстве плунжерный насос всасывает содержащую минеральные примеси морскую воду, которая после опреснения самотеком удаляется наружу из отверстия 4 внутри плунжера 3. Перекрестный поток жидкости (перекрестная фильтрация) уменьшает забиваемость мембраны, через которую проходит лишь небольшой процент морской воды (5-20%).
В предлагаемом нами техническом решении подъемное приспособление, предназначенное для подъема плунжера 3 в верхнее положение внутри корпуса 1, выполнено в виде Г-образной детали. Корпус устройства 1 изготавливают из стали. Плунжер 3, как правило, также выполняют из стали или используют для этого другой металл. Для удешевления устройства возможно изготовление плунжера 3 из пластического материала. Однако из-за того, что удельный вес пластических масс меньше удельного веса металла, плунжер 3 дополняют утяжелителем. Утяжелитель для расширения потребительских свойств устройства выполняют сменным. Для регулирования объема поступающей в пространство 5 морской воды и времени заполнения пространства 5 морской водой устройство выполняют с ограничителем движения плунжера 3 вниз.
Предлагаемое техническое решение обладает новизной, очевидным для специалистов не является, промышленно применимо.