DE60011312T2 - Verfahren zur entsalzung von meerwasser - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entsalzen von Meerwasser oder Brackwasser.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Gemeinden, die Landwirtschaft und die Industrie benötigen immer mehr Wasser, das aber in vielen Gebieten der Welt nicht verfügbar ist. Meerwasser kann nicht verwendet werden, weil es Salz enthält, und die derzeit bekannten Verfahren zum Entsalzen sind langsam, schwierig durchzuführen und kostspielig und erfordern viel Energie. Der Energieverbrauch nimmt weltweit zu, und die meiste Energie wird durch Verbrennen von Öl, Gaskohle, Holz und anderer organischen Materialien erzeugt, wodurch die Umwelt verschmutzt wird.
• Umweltforscher aus der ganzen Welt empfehlen, die derzeitige Erzeugung und Emission von Kohlendioxid (CO₂) in die Atmosphäre zu verringern, um die Umwelt vor dem schädigenden, von CO₂-Gas verursachten Treibhauseffekt zu schützen. Viele Nationen haben sich daher mittlerweile durch Gesetze dazu verpflichtet, ihre CO₂-Emission zu senken.
• Die vorliegende Erfindung ist daher von großer Bedeutung, da sie ein praktisches und kostengünstiges Verfahren zur Erzeugung großer Mengen von entsalztem Meerwasser bereitstellt, für das CO₂ aus Verbrennungsabgasen verwendet wird, das andernfalls die Umwelt vergiften würde. Kein bekanntes ökonomisches Verfahren liefert gleichzeitig diese Ergebnisse, obwohl andere Verfahren ähnliche Chemikalien verwenden, vor allem das Ammoniak-Natriumcarbonat-Verfahren, das Ernest Solvay im Jahr 1865 verbessert hat, bei dem eine konzentrierte Natriumchlorid-Lösung mit Ammoniak gesättigt wird und Kohlendioxid durch diese Lösung geleitet wird, wodurch Natriumcarbonat erhalten wird.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die obigen und andere Ziele und Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, die ein chemisches Verfahren zum Entsalzen von Meerwasser und Entfernen von CO₂ aus Abgasen betrifft. Salzkristalle (NaCl) verfügen über starke innere Bindungskräfte zwischen den Na- und Cl-Atomen, die in zwei Schritten aufgebrochen werden.
• Im ersten Schritt der vorliegenden Erfindung wird ein Katalysator, bei dem es sich um Ammoniak handelt, abgemessen und mit Meerwasser bzw. Salzwasser vermischt, das etwa 3 Gew.-% zu entfernendes Salz enthält. Ammoniak vermischt sich leicht mit Wasser und bildet NH₄OH, bei dem es sich um eine sehr reaktionsfähige Substanz handelt. Sie wirkt stark anziehend und ziehen das Chlor des Salzes im Meerwasser an. Hierdurch werden die inneren Bindungen geschwächt, was das Salz angreifbarer macht.
• Der zweite Schritt dieses Verfahrens wird in einer geschlossenen Prozeßkammer durchgeführt, die oberhalb einer Klärvorrichtung angeordnet ist. Verbrennungsabgas, das viel CO₂ enthält, das normalerweise in die Atmosphäre abgegeben wird und die Umwelt schädigt, wird für das Verfahren verwendet. Das Gas strömt auf einer Seite durch einen Einlaß ein und bleibt für die Umsetzung in der Kammer. Das restliche Gas strömt durch einen Auslaß auf der anderen Seite aus. Das Meerwassergemisch wird in die Prozeßkammer zu zahlreichen Auslaßöffnungen in der Nähe des oberen Randes gepumpt und in einen nicht verstopfenden Sprühnebel zerteilt.
• Die CO₂-Gasmoleküle und die Na-Atome des Salzes ziehen sich an, wodurch es zu einer weiteren Schwächung kommt und die Salzmoleküle in dem Nebel des Meerwassers dissoziiert werden. Zwei schwere Feststoffe werden gebildet, die sich in der Klärvorrichtung absetzen und als Unterlauf durch ein Ablaßrohr entfernt werden.
• Das entsalzte Meerwasser fließt bei eine erzeugten Menge von einer Tonne Salz in großen Mengen als Überlauf aus der Klärvorrichtung ab, weil das Salz in Meerwasser in einer Konzentration von nur etwa 3 % enthalten ist. Das entsalzte Meerwasser kann dann von Gemeinden, der Industrie und in der Landwirtschaft verwendet werden. Es enthält immer noch etwas gelöstes Ammoniak sowie etwas Plankton und andere Organismen, die in den Ozeanen Nahrungsquelle für andere Meerestiere sind. Diese Nahrungsmittel können auch verwendet werden, um Böden im Ackerbau zu düngen. Alternativ können sie dort, wo dies erforderlich ist, durch intensive Belüftung und durch ein biologisches Verfahren oder durch nicht verstopfende Filter entfernt werden. Das kolloidale Material flockt aus und wird als Schlamm oder Filterkuchen gewonnen.
• Die beiden Feststoffe, die bei der Zerlegung bzw. Dissoziation des Salzes und der Entfernung des gasförmigen CO₂ entstehen, sind Natriumcarbonat Na₂CO₃ mit einer Dichte von 2,53 und Ammoniumchlorid mit einer Dichte von 1,53.
• Die beiden Feststoffe können durch Hydrozyklonabscheider, Luftförderanlage und Sprühvorrichtung oder auf andere Weise abgetrennt werden. Es gibt wachsende Märkte für Natrium carbonat, für das gute Preise erzielt werden können. Damit können das gesamte Verfahren und mehr finanziert werden, so dass das entsalzte Wasser ohne Kostenaufwand erhalten wird. Das im NH₄Cl enthaltene Ammoniak kann durch Wärmebehandlung mit Calciumoxid CaO zurückgewonnen werden, außerdem kann das NH₄Cl in NH₃ und HCl umgewandelt werden.
• Die chemische Formel (oder Gleichung) für die Zerlegung des Salzes mit Meerwasser als Träger, das 3 Gewichtsprozent Salz enthält, lautet für eine Tonne (t) entferntes Salz:

  
• Die Abkürzung t bedeutet die Gewichtsangabe "Tonne".
• Die Zahlen in der letzten Zeile geben das Molekulargewicht der Verbindungen in der Gleichung wieder.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer Prozeßkammer durchgeführt werden, die einen Deckel und eine zylindrische Wand oberhalb einer Klärvorrichtung mit einer zylindrischen Wand, die mit einem konischen Boden mit einer Ablaufleitung in Verbindung steht, umfaßt. Durch das Einlaßrohr mit zahlreichen die Flüssigkeit verteilenden Sprühdüsen wird Meerwasser, das mit Ammoniak vermischt ist, zugeführt. Der Einlaßkanal versorgt die Prozeßkammer mit Verbrennungsabgasen, die gasförmiges CO₂ enthalten. Durch den Abflußkanal wird das restliche Abgas entfernt.
• Das entsalzte Meerwasser fließt durch das Überlaufwehr und das Überlaufrohr ab. Für eine zusätzliche Salzentfernung trifft das Wasser auf Spritzbleche und den ringförmigen Überlaufdeckel und wird verspritzt. Der Rohrförderer entfernt den Unterlauf aus der Ablaufleitung durch Einspritzen von Luft, die sich mit dem Material in der Leitung vermischt und es leichter macht, und spritzt es heraus in den Abscheider. Die Luft wird am oberen Ende des Abscheiders entfernt.
• BESCHREIBUNG SPEZIELLER AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Ein verbessertes Verarbeitungsverfahren oder eine verbesserte Anlage für die Zerlegung von Salz und die vorteilhafte Entfernung von Salz in-situ aus Meerwasser oder sonstigem Salzwasser besteht erfindungsgemäß aus einem kontinuierlichen chemischen Verfahren, das in einer oder mehreren geschlossenen Prozeßkammern durchgeführt wird, die alle oberhalb einer Klärvorrichtung und hintereinander oder parallel angeordnet sind.
• CO₂-reiches Abgas wird üblicherweise freigesetzt, wenn Gas, Öl oder Kohle in Kraftwerken, Öfen oder sonstigen Verbrennungsanlagen verbrannt wird, und ist schädlich für die Umwelt, wenn es in die oberen Bereiche der Atmosphäre gelangt.
• Das Abgas wird in die Prozeßkammern abgezweigt, und das CO₂-Gas, das so wie es anfällt für das Verfahren verwendet wird, wird aus dem Abgas entfernt. Das Meerwasser enthält zugegebenes und eingemischtes Ammoniak als Katalysator in Mengen, die mit der Salzmenge abgestimmt sind, um die inneren Bindungen des Salzes zu schwächen, bevor das Meerwasser in die Prozeßkammer gepumpt wird und an zahlreichen Punkten in der Nähe des oberen Randes als feiner Sprühnebel verteilt wird. Und der feine Sprühnebel trifft auf ein oder mehrere Spritzbleche, und weil das CO₂-Gas dort als sehr starker Reaktionspartner wirkt, bindet es an die geschwächten Salzmoleküle und löst die chemischen Bindungen.
• Aus dem Salz, Ammoniak, CO₂ und Wasser werden zwei schwere Feststoffe gebildet, die dann entfernt werden. Hier handelt es sich um die Verbindungen Natriumcarbonat und Ammoniumchlorid.
• In der darunter angeordneten Klärvorrichtung wird das Meerwasser, aus dem das Salz entfernt ist, als Überlauf aus der Klärvorrichtung entfernt, und die schweren Feststoffe setzen sich ab und werden als Unterlauf entfernt und können dann in den Kreislauf zurückgeführt werden.
• Die Zahl der Prozeßkammern kann auf verschiedene Art und Weise verwendet werden. Wenn zwei, drei oder noch mehr Kammern parallel zueinander angeordnet sind, gibt es eine proportionale Zerlegung pro Quadratmeter Kammerfläche, zugeführter Menge an Meerwasser, Salz, Ammoniak und CO₂, und eine erhöhte Entsalzung von Meerwasser.
• Als weiteres Beispiel, falls drei ähnliche, hintereinander angeordnete Prozeßkammern vorhanden sind und das Verbrennungsabgas von der ersten in die zweite und dann die dritte Kammer strömt und von dort aus das restliche Abgas ausströmt, kann das mit Ammoniak vermischte Meerwasser in die zweite Kammer gepumpt und dort behandelt werden.
• Wenn das behandelte Meerwasser aber immer noch zu viel Salz enthält, kann es auf einen ausreichenden Gehalt an Ammoniak überprüft werden und in die erste Prozeßkammer gepumpt werden für einen Aufbereitungsschritt, um die erforderliche Entsalzung zu gewährleisten.
• Ein kleiner Anteil des gepumpten durchmischten Meerwassers kann für einen Aufbereitungsschritt in die dritte Prozeßkammer abgeleitet und eingespritzt werden, um erforderlichenfalls restliches CO₂-Gas zu entfernen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist im wesentlichen für Meerwasser vorgesehen, das einen relativ einheitlichen Salzgehalt aufweist. Meerwasser enthält etwa 3 Gew.-% Salz, der prozentuale Gehalt variiert jedoch von Ort zu Ort. In Fjorden und engen Buchten, in die große Volumina an Frischwasser fließen, ist der prozentuale Salzgehalt geringer. In tropischen Zonen und Flachwasser ist der Salzgehalt größer, ein Gehalt von 4 Gew.-% wird im allgemeinen aber nicht überschritten.
• Magnesium, Calcium und Kalium sind in Meerwasser in einem sehr geringen Anteil enthalten, verglichen mit dem Natriumsalz. Die meisten lebenden Zellen brauchen diese Metalle, und ein Teil davon kann in dem beschriebenen Verfahren entfernt werden.
• Meerwasser enthält außerdem Plankton und andere Mikroorganismen, die für andere Meerestiere in den Ozeanen eine wichtige Nahrungsquelle darstellen.
• Diese Mikroorganismen können auch als Düngemittel dienen, wenn entsalztes Meerwasser in der Landwirtschaft in ariden oder semiariden Gebieten verwendet wird, wo die wachsende Bevölkerung und Trockenheit entsalztes Meerwasser zu einer äußerst wertvollen Quelle für Wasser machen, wie in Kalifornien, Hongkong und dem Mittleren Osten. In den arabischen Staaten wird viel Gas aus Ölquellen durch Abfackeln verbrannt, und das bei der Verbrennung entstehende CO₂-Gas kann eingefangen und in meinem Verfahren verbraucht werden, um die Verschmutzung der Atmosphäre zu vermeiden. Das Gas kann als Brennstoff für elektrische Energie verwendet werden.
• Das hierbei entstehende Abgas kann abgezweigt werden, und das schädliche CO₂-Gas kann entfernt und in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser in großen Mengen verwendet werden, das dann zur Verfügung stehen kann, um das Land für die Landwirtschaft fruchtbar zu machen. Ammoniak wird heutzutage bei geringem Kostenauf wand in großen Mengen erzeugt, deshalb kann die Rückgewinnung nicht erforderlich oder kostengünstig sein. Es wird darauf hingewiesen, dass anderes Salzwasser als Meerwasser als Alternative in dieser Erfindung verwendet werden kann, wobei eine maximale Salzkonzentration von 22 Prozent verwendet wird, um ein Verstopfen zu vermeiden und ein zuverlässiges Verfahren zur Verfügung zu stellen.
• Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen offenbart, und es soll darauf hingewiesen werden, dass verschiedene Abwandlungen und Variationen der Erfindungen, die sich für den Fachmann ergeben, zum Gegenstand und Schutzbereich der beigefügten Ansprüche gehören.

Claims (4)

1. Verfahren zum Entsalzen von Meerwasser oder Brackwasser, das umfasst: Einmischen von Ammoniak (NH₃) in dieses Wasser unter Bildung einer wirksamen Menge an Ammoniumhydroxid NH₄OH, das mit NaCl-Salzmolekülen, die in diesem Wasser enthalten sind, unter Schwächung der Bindung in den NaCl-Molekülen reagiert; Versprühen dieses Wassers in Form eines feinen Sprühnebels im oberen Teil einer geschlossenen Prozeßkammer; Einwirkenlassen einer wirksamen Menge an CO₂-Verbrennungsabgas auf das versprühte Wasser, um das CO₂ mit den Salzmolekülen, deren Bindung geschwächt ist, reagieren zu lassen unter Erzeugung von Natriumcarbonat (Na₂CO₃) und Ammoniumchlorid (NH₄Cl), Entfernen des Natriumcarbonats und des Ammoniumchlorids in Form von Feststoffen in einer Klärvorrichtung unterhalb der Prozeßkammer, Absetzenlassen der Feststoffe und Entfernen der Feststoffe als Unterlauf durch ein Ablaßrohr und Abfließenlassen von entsalztem Wasser als Überlauf aus der Klärvorrichtung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Prozeßkammer für die zusätzliche Salzentfernung mit Spritzblechen zum Auffangen und Verspritzen dieses Wassers ausgestattet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Wasser eine maximale Salzkonzentration von 22 Prozent aufweist, um ein Verstopfen während der Durchführung des Verfahrens zu vermeiden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren für eine maximale Salzentfernung in zwei oder mehr Kammern durchgeführt wird, die hintereinander oder parallel zueinander angeordnet sind.