Соленый киловатт: осмос

Соленый киловатт: осмос

    Принципиальная схема Тяжело поверить, что одна только отличие в концентрации двух растворов способна создать важную силу, но это вправду так: осмотическое давление может поднять уровень морской воды на 120 м
    Для работы осмотической электростанции не требуются особые инженерные сооружения: печи, реакторы, плотины, градирни. Первая в мире электростанция на осмосе расположилась в пустующем складе деревоперерабатывающего завода
    Не стена, а обои На схематичных изображениях осмотическую мембрану рисуют в виде стены. В действительности она является рулоном , заключенный в цилиндрический корпус. В его многослойной структуре чередуются слои пресной и соленой воды
    Поперечный разрез демонстрирует, как организованы потоки воды в осмотического цилиндра.
    Чем больше таких модулей установят на станции, тем больше энергии она способен производить

О том, чем в действительности наполнил вошедший в историю свиной пузырь аббат, а по совместительству великий физик-экспериментатор Жан-Антуан Нолле, возможно дискутировать. Но наличие воды в обоих сосудах (пузыре и бочке) неоспоримо. Отличие состоит только в концентрации растворенного в ней спирта. Эта отличие дала толчок диффузии воды через полупроницаемую мембрану из бочонка в пузырь.

По тому, как раздулся пузырь, возможно было осознать, что явление это рождает очень большую однонаправленную силу, которую Нолле назвал осмотическим давлением. А осмос он выяснил как процесс диффузии растворителя из менее концентрированного раствора в более концентрированный.

Сейчас норвежская компания Statcraft, фаворит рынка европейских экологически чистой энергетики, отыскала метод перевоплотить это давление в электричество. Новая разработка — единственная, талантливая извлекать джоули из естественной отличия содержания минеральных солей в пресной и морской воде, а не из кинетической энергии их перемещения.

По оценкам норвежцев, мировые ресурсы возобновляемой осмотической энергии составляют от 1,6 до 1,7 тераватт — приблизительно столько же в 2004 году потребовалось миллиардному Китаю! В отличие от капризного ветра, солнца и прибоя, процессы осмоса не останавливаются ни на секунду 24 часа в день круглый год.

Выпить море

Вообще-то явление осмоса употребляется в промышленных масштабах уже более 40 лет. Лишь это не хороший прямой осмос аббата Нолле, а так называемый обратный осмос — неестественный процесс проникновения растворителя из концентрированного в разведённый раствор под действием давления, превышающего естественное осмотическое давление. Такая разработка используется в опреснительных и очистительных установках В первую очередь 1970-х.

Соленая морская вода нагнетается на особую мембрану и, проходя через ее поры, лишается большей части минеральных солей, а заодно бактерий а также вирусов. Для прокачивания соленой либо загрязненной воды приходится затрачивать громадные количества энергии, но игра стоит свеч — на планете существует множество регионов, где недостаток питьевой воды есть острейшей проблемой.

Теоретические разработки в данной области показались еще в начале ХХ века, но для их реализации не хватало главного — подходящей осмотической мембраны. Такая мембрана должна была выдерживать давление, в 20 раз превышающее давление простого бытового водопровода, и иметь очень высокую пористость. Создание материалов с подобными особенностями произошло по окончании Второй мировой войны, в то время, когда накопленный на протяжении армейских проектов научный потенциал дал толчок формированию разработок производства синтетических полимеров.

самый значительный прорыв в данной области случился во второй половине 50-ых годов двадцатого века. Сидней Лоэб и Шриниваса Суранджан из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе создали спиральную анизотропную мембрану, талантливую выдерживать большое давление, действенно задерживать механические частицы и минеральные соли размером до 5 мкм и основное — владеющую высокой пропускной свойством при минимальных размерах.

Изобретение Лоэба и Суранджана сделало осмотическое опреснение рентабельным бизнесом. В начале 1960-х в калифорнийской Коалинге Лоэб выстроил первую в мире опреснительную станцию на эффекте PRO (Pressure retarded osmosis), а после этого перебрался в Израиль, где на средства ЮНЕСКО продолжил собственные изучения.

При участии Лоэба во второй половине 60-ых годов XX века в местечке Йотвата была выстроена опреснительная установка мощностью 150 м³ в день, создававшая чистую пресную воду из подземного озера с соленостью, в десять раз превышавшей морскую. Еще через три года разработка PRO была защищена американским патентом.

Испытания по превращению осмотического давления в электрическую энергию с применением мембран Лоэба-Суранджана проводились разными компаниями и научными группами В первую очередь 1970-х. Принципиальная схема этого процесса была очевидной: поток пресной (речной) воды, проникающий через поры мембраны, наращивает давление в резервуаре с морской водой, тем самым разрешая раскручивать турбину. После этого отработанная солоноватая вода выбрасывается в море.

Неприятность была только в том, что хорошие мембраны для PRO были через чур дороги, капризны и не снабжали нужной мощности потока. С мертвой точки дело сдвинулось в конце 1980-х, в то время, когда за ответ задачи взялись норвежские химики Торлейф Хольт и Тор Торсен из университета SINTEF.

Космический размах

Мембраны Лоэба потребовали клинической чистоты для поддержания большой производительности. Конструкция мембранного модуля опреснительной станции предусматривала необходимое наличие первичного фильтра неотёсанной очистки и замечательного насоса, сбивавшего мусор с рабочей поверхности мембраны.

Хольт и Торсен, проанализировав характеристики большинства перспективных материалов, остановили собственный выбор на недорогом модифицированном полиэтилене. Их публикации в научных изданиях привлекли интерес экспертов из Statcraft, и норвежских химиков пригласили продолжить работу под покровительством энергетической компании. В 2001 году мембранная программа Statcraft взяла национальный грант.

На полученные средства была выстроена экспериментальная осмотическая установка в Сунндальсьоре для тестирования обкатки технологии и образцов мембран в целом. Площадь активной поверхности в ней была чуть выше 200 м?.

Для ускорения процесса в команду были приглашены инженеры из специальной мембранной лаборатории NASA. Дело в том, что еще со времен подготовки к лунной программе Apollo при Центре NASA им. Эймса проводились очистки и технологий глубокие исследования опреснения водных растворов.

Опыт американцев пришелся как запрещено кстати, и к 2008 году у Statcraft показались первые образцы спиральных полиимидных мебран для будущих осмотических электростанций. Их производительность составила 1 Вт на 1 м? при диффузии 10 л пресной воды в секунду под давлением 10 бар.

На станции в Тофте трудятся как раз такие мембранные модули неспециализированной площадью 2000 м?. Для выработки 4кВт этого достаточно, но для полноценной 25-мегаваттной станции потребовалось бы аж 5 млн квадратов. Очевидно, мембраны для осмотических электростанций должны быть значительно действеннее нынешних.

Стайн Эрик Скиллхаген, вице-президент Statcraft, курирующий программу, говорит, что на данный момент компания тестирует спиральные образцы из полых волокон производительностью 3 Вт/м2, а к 2015 году покажутся плоские 5-ваттные мембраны. Помимо этого, норвежцы пристально изучают сторонние разработки в данной области и деятельно сотрудничают со экспертами из General Electric, Hydranautics, Dow и японской Toray.

Кстати, мембрана для прямого осмоса — это не узкая стена, которую рисуют на упрощенных схемах, а долгий рулон, заключенный в цилиндрический корпус. Соединения с корпусом сделаны так, что во всех слоях рулона с одной стороны мембраны постоянно находится питьевая вода, а с другой- морская.

Энергия глубин

Отличие между соленостью (по-научному — градиент солености) пресной и морской воды — базисный принцип работы осмотической электростанции. Чем она больше, тем выше скорость и объём потока на мембране, а следовательно, и количество энергии, вырабатываемой гидротурбиной. В Тофте питьевая вода самотеком поступает на мембрану, в следствии осмоса давление морской воды по ту сторону быстро возрастает. Силища у осмоса большая — давление может поднять уровень морской воды на 120 м.

Потом полученная разбавленная морская вода устремляется через распределитель давления на лопатки турбины и, дав им всю собственную энергию, выбрасывается в море. Распределитель давления отбирает часть энергии потока, раскручивая насосы, закачивающие морскую воду. Так удается существенно повысить эффективность работы станции.

По оценке Рика Стовера, главного технолога компании Energy Recovery, создающей такие устройства для опреснительных фабрик, КПД энергопередачи в распределителях приближается к 98%. Совершенно верно такие же аппараты при опреснении оказывают помощь доставлять пресную воду в жилые дома.

Как подмечает Скиллхаген, в совершенстве осмотические электростанции необходимо совмещать с опреснительными установками — соленость остаточной морской воды в последних на порядок выше естественного уровня. В таком тандеме эффективность выработки энергии возрастет не меньше чем в два раза.

Строительные работы в Тофте начались в осеннюю пору 2008 года. На территории завода по производству целлюлозы компании Sodra Cell был снят в аренду пустующий склад. На первом этаже устроили каскад сетчатых и кварцевых фильтров для очистки речной и морской воды, а на втором — машинный зал.

В декабре того же года был осуществлен монтаж и подъём мембранных распределителя и модулей давления. В феврале 2009-го несколько водолазов проложила по дну залива два параллельных трубопровода — для пресной и морской воды.

Забор морской воды осуществляется в Тофте с глубин от 35 до 50 м — в этом слое ее соленость оптимальна. Помимо этого, в том месте она существенно чище, чем у поверхности. Но, не обращая внимания на это, мембраны станции требуют регулярной чистки от забивающих микропоры органических остатков.

С апреля 2009 года электростанция эксплуатировалась в пробном режиме, а в ноябре, с легкой руки принцессы Метте-Марит, была запущена на всю катушку. Скиллхаген уверяет, что за Тофте у Statcraft покажутся и другие подобные, но более идеальные проекты. И не только в Норвегии. Он утвержает, что подземный комплекс размером с футбольное поле способен бесперебойно снабжать электричеством целый город с 15 000 личных домов.

Причем, в отличие от ветряков, такая осмотическая установка фактически бесшумна, не изменяет привычный ландшафт и не воздействует на здоровье человека. А о пополнении запасов соленой и пресной воды в ней позаботится сама природа.

космос и Осмос

Мембранная лаборатория в Центре NASA им. Эймса уже много лет подряд занимается решением проблемы обеспечения жителей космических станций пресной водой

Ученые создали разработку DOC, комбинирующую два разнонаправленных процесса — прямой и обратный осмос. При обратном осмосе мембрана трудится как фильтр узкой очистки и требует громадных затрат энергии. Прямой осмос, напротив, создаёт ее. Любой из этих процессов по отдельности лишает водные растворы подавляющего количества примесей. В следствии получается так называемая серая вода, которую возможно применять для гигиенических целей.

Чтобы сделать из серой воды питьевую, раствор проходит этап мембранной очистки без дополнительного нагревания и потом очистку от вирусов и бактерий в системе каталитического окисления. Балансовая энергоемкость DOC достаточна для применения в космосе.

Уникальный метод очистки воды для космических станций представила американская компания Osmotek. Для сбора продуктов жизнедеятельности она предлагает применять мембранные пакеты наподобие чайных с содержащимся в них активированным углем. Мембрана пропускает наружу только воду с малым числом загрязнений.

Данный первичный раствор после этого попадает в мембранную камеру со особым концентрированным субстратом в второй части. Появляющееся явление прямого осмоса завершает процесс.

Компания Oasys обещает снизить расход энергии осмотических опреснительных установок ни большое количество ни мало вдесятеро. Действительно, в этом случае речь заходит не об обратном, а о прямом осмосе. И не несложном, а модифицированном. Его сущность содержится в наличии на ответной стороне простой PRO-мембраны патентованного вытягивающего раствора с высоким содержанием аммиака, других химикатов и двуокиси углерода.

При взаимодействии двух растворов появляется явление осмоса и происходит очищение исходного сырья от примесей. Изюминка методики Oasys в том, что поток чистой пресной воды не смешивается с вытягивающим раствором.

Голландская батарейка

В Голландии каждую секунду в соленое море низвергается 3300 м³ речной воды, ее суммарный энергетический потенциал — 4,5х109 Вт. Исследователи из KEMA кроме этого собираются выловить хотя бы часть энергии из данной глубокой бочки, но без лишней, согласно их точке зрения, механики. И такая возможность существует. До тех пор пока — в виде экспериментальной установки обратного электродиализа RED (Reverse electrodialysis). В ней кроме этого употребляются морская и питьевая вода, поделённые полупроницаемыми границами.

Но мембран тут две, и они делают роль электродов. Так как RED — батарея, трудящаяся благодаря отличию в концентрациях ионов в двух средах. Отличие формирует не сильный напряжение на поверхности анодной и катодной мембран. В случае если из них собрать пакет, вольтаж окажется очень ощутимым. Батарейка размером со обычный морской контейнер выдает практически 250кВт. KEMA с 2006 года эксплуатирует мелкую 50-кВт установку в Харлингене.

На ней тестируются методы очистки мембран биоматериалом. Клиническая чистота — критически серьёзный фактор действенной работы совокупности.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№99, январь 2011).

<

h4>

осмос и Диффузия

Статьи, которые будут Вам интересны: