Новый способ опреснения воды

       Новый способ опреснения воды

       Соль  образует с водой истинный раствор. Ионы составляющих соль элементов (Na и Cl) находятся в сольватированном состоянии в силу чего их выделение из воды относительно затруднено. Существующие методы опреснения не могут решить данную задачу с той степенью эффективности, которая необходима для обеспечения действительно широкого применения опреснённой воды (в том числе с включением сельского хозяйства в число потребителей опреснённой воды).

       В рамках проекта предложен новый  способ опреснения. Способ основан  на применении Активного нановорсистого материала (АНВ-материал). Материал и технология его получения разработаны авторами на предыдущем этапе работ (частично результаты этапа демонстрировались в рамках проекта «Технология интегральных НЭМС-структур», являющегося финалистом Зворыкинской премии 2009-го года).

       Исходя  из полученных авторами экспериментальных  данных, сделан вывод о наличие  эффекта кристаллизации соли в области  вершин нановорсинок при приложении к последним электрического потенциала (нановорсинки в рассматриваемом случае покрыты слом диэлектрика; отметим, что кристаллизация происходит в условиях ненасыщенного раствора). Выключение электрического потенциала приводит к обратному растворению соли с нановорсинок. Способ опреснения основан на чередовании этапов захвата соли нановорсинками и её обратного растворения, что позволяет перераспределять соль в потоке воды. Пресная часть потока используется, в то время как часть потока с повышенным содержанием соли сбрасывается обратно в море.

       Ключевым  преимуществом способа является его чрезвычайно высокая энергоэффективность. Каждая нановорсинка при осаждении на неё соли образуют своеобразный наноконденсатор, который временно запасает электрическую энергию. На этапе растворения соли система отдаёт обратно запасённую в электрическом поле энергию. Необратимый расход энергии осуществляется, таким образом, только на диссипацию энергии в процессе электронного транспорта. Количественные оценки показывают, что энергоэффективность способа как минимум на 3 порядка превышает таковую для традиционных методов опреснения. Имеет смысл сделать следующее пояснение. В настоящее время применяются методы опреснения трёх основных групп: основанные на эффекте выпаривания (дистилляции), на эффекте обратного осмоса и на эффекте взаимодействия ионов солей с внешним электрическим полем. Высокая энергоёмкость методов опреснения, основанных на эффекте дистилляции, связана с высокими значениями теплоёмкости и теплоты парообразования воды. Энергоёмкость методов обратного осмоса обусловлена необходимостью поддержания высокой разности давлений (100-200 атм.) на мембране. Методы, относящиеся к третьей группе и основанные на прямом воздействии электрического поля на ионы растворённых солей (электродиализ, различные вариации электрофореза и т.п.), имеют низкую энергоэффективность в связи с эффектом экранирования ионами солей внешнего электрического поля: в силу большой концентрации положительных и отрицательных ионов, их объёмное пространственное разделение приводит к быстрому росту сил взаимного отталкивания ионов, что препятствует процессу дальнейшего разделения.

       Предложенный  метод также основан на воздействии  электрического поля на ионы, однако имеет  то принципиальное отличие, что в  силу параметров генерируемого нановорсинками электрического поля пространственное разделение ионов не является превалирующим процессом. Напротив, локально создаются условия для смешения ионов обеих полярностей и их транспорта в фокус поля, с последующим синтезом кристалла соли вдоль силовых линий поля (конкретизация физического процесса приводится в расширенном описании проекта). Это обеспечивает эффективный коллектор ионов соли, электрические заряды в котором взаимно компенсированы. Экранирование электрического поля через вынужденную поляризации наращиваемого кристалла соли имеет место, однако оно является на несколько порядков более слабым, чем в случае экранирования ионами одноимённого знака.  
С определённой степенью точности верна следующая краткая формулировка эффекта, лежащего в основе предложенного метода опреснения: в области вокруг вершин нановорсинок создаются условия, при которых соль, сохраняя свой химический состав, переходит в состояние, характеризующееся потерей свойства растворимости в воде. Согласно экспериментальным данным, выключение электрического поля хотя бы на доли микросекунды приводит к обратному переходу соли в раствор.

       Удельная  производительность опреснителя на основе АНВ-материала определяется частотой циклов «захват нановорсинками соли» – «растворение соли». Указанная частота циклов определяется скоростью заполнения водой зазора между АНВ-поверхностями, которая в свою очередь зависит от протяжённости зазора и гидродинамических параметров жидкой среды. По первичным оценкам, производительность может достигать не менее 1 тонны воды с метра квадратного АНВ-поверхности в сутки. С учётом возможности плотной упаковки АНВ-слоёв, данную производительность следует рассматривать как высокую.

       Важным  преимуществом также является минимальные  требования к предварительной водоподготовке. Предполагается, что присутствие  взвешенных частиц, органики и прочих примесей слабо влияет на процесс  извлечения соли. Данное обстоятельство играет особую роль в обеспечении  рентабельности применения опреснённой воды в сельском хозяйстве.

       Стоимость 1 метра квадратного АНВ-поверхности  при масштабном производстве может  достигать 3 тыс. руб. и менее, что  в совокупности с обозначенными  производительностью, высокой энергоэффективностью, низкими требованиями к водоподготовке и прогнозируемым большим сроком эксплуатации, обеспечивает предпосылки к кардинальному уменьшению удельной стоимости опреснения воды.

       Ряд вопросов, связанных с эксплуатацией  АНВ-опреснителя, затрагивается в расширенном описании проекта.

       Резюмируем  текущее состояние работ. Предложен  новый способ опреснения воды, имеющий  принципиальные отличия от существующих. Получены экспериментальные данные по взаимодействию АНВ-материала с солёной водой: показан эффект массопереноса из солевого раствора на ворсинки, а также эффект обратного массопереноса, в зависимости от параметров электрического поля. Оценки, выполненные на основе полученных данных, свидетельствуют о высокой перспективности предложенного способа опреснения. Важным этапом дальнейших работ является создание экспериментальной опреснительной установки, позволяющей непосредственно подтвердить заявляемую функциональность. Целесообразно, чтобы создание такой установки не предполагало существенного масштабирования имеющейся технологической линейки получения АНВ-материала, поскольку это потребует дополнительных времени и инвестиций. С учётом указанного условия была разработана конструкция экспериментальной опреснительной установки, в основе которой лежит спиральный рабочий элемент, выполненный из цельного АНВ-материала. Изготовление экспериментальной установки на основе указанного рабочего элемента и её испытание планируется провести до ноября 2011-го года. Следует отметить, что предложенные конструкцию экспериментального рабочего элемента и способ его получения можно рассматривать как достаточно близкие к целевой промышленной версии (с учётом фактора масштабирования).

       Опреснение  различных видов  солёных вод, включая морскую воду

       Предложенный  способ опреснения основан на применении Активного нановорсистого материала. Разработана базовая технология получения АНВ-материала, непосредственно масштабируемая до промышленного уровня. Технология обеспечивает получение активных нановорсистых покрытий на подложках c произвольной геометрией поверхности. Достигаемая на текущий момент поверхностная плотность нановорсинок составляет 100 штук на 1 мкм^2. Техпроцесс характеризуется простотой и нетребовательностью. В частности вместо кремниевых подложек могут быть использованы дешёвые металлические фольги, в том числе алюминиевые, с произвольной геометрией поверхности. Обеспечивается низкая стоимость единицы площади АНВ-материала. Реализованная на текущий момент экспериментальная линейка оборудования обеспечивает формирование нановорсистого слоя на подложках 2,5х2,5 см.

       Получены  экспериментальные данные по взаимодействию АНВ-материала с солёной водой. Оценки, выполненные на основе полученных данных, свидетельствуют о высокой  перспективности предложенного способа.

       Важным  этапом дальнейших работ является создание экспериментальной опреснительной установки, позволяющей непосредственно  подтвердить заявляемую функциональность. Целесообразно, чтобы создание такой  установки не предполагало существенного  масштабирования имеющейся технологической  линейки, поскольку это потребует  дополнительных инвестиций и времени. С учётом указанного условия была разработана конструкция экспериментальной  опреснительной установки, в основе которой лежит спиральный рабочий  элемент, выполненный из цельного АНВ-материала. Изготовление экспериментальной установки на основе указанного рабочего элемента и её испытание планируется провести до ноября 2011-го года. Следует отметить, что предложенные конструкцию экспериментального рабочего элемента и способ его получения можно рассматривать как достаточно близкие к целевой промышленной версии (с учётом фактора масштабирования)

       - Технологические  риски. 

       Технологические риски существуют, однако имеют локальный  характер, связанный с вопросом сроков и средств отработки совокупности существующих операций для случая промышленных масштабов. В силу гибкости техпроцесса  получения АНВ-материала и механизмов его функционирования, продукт коммерческого  уровня предположительно может быть получен уже в рамках грубого  приближения целевой технологии, с последующим её постепенным совершенствованием.

       - Финансовые риски. 

       Риск  превышения расчётной стоимости этапа отработки производственного процесса. Стратегия снижения данного риска включает: обеспечение доступа к возвратным финансовым средствам («финансовый буфер»); разработка альтернативного плана организации производства, позволяющего получить определённый законченный результат при меньшем объёме инвестиций. 
 
 
 

       Основными критериями отбора являются:

• научно-технический уровень разработки - 4;
• конкурентоспособность научно-технической продукции - 5;
• масштабность сферы применения результатов проекта - 3;
• наличие квалифицированной команды, реализующей проект - 3;
• наличие диверсифицированных источников финансирования проекта - 3;
• допустимый объем кредитования - 4;
• минимально допустимая прибыль и рентабельность - 4;
• социально-экономическое значение результатов проекта для конкретного региона (количество новых рабочих мест, увеличение объема налоговых поступлений в бюджет) - 5;
• отсутствие вредного воздействия на окружающую среду – 5.

5 – очень  высокая оценка, 4 – высокая оценка, 3 – удовлетворительная оценка, 2 – низкая оценка, 1 – очень  низкая оценка.