ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕСНОЙ ВОДЫ МЕТОДОМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Аннотация
Рассмотрен термодинамический аспект процесса получения пресной воды с использованием нового метода вымораживания из водного раствора, содержащего соли или любые другие примеси. Предложена принципиальная схема кристаллизатора, основным элементом которого является цилиндр с поршнем, залитый легкокипящим хладоагентом, например, сероуглеродом, изопентаном, ацетоном. Цилиндр с поршнем и хладоагентом опускается в емкость с водным раствором. С помощью поршня увеличивается объем газовой фазы над хладоагентом в цилиндре. В результате понижения остаточного давления в цилиндре хладоагент начинает испаряться. При испарении хладоагент забирает теплоту от стенок цилиндра, охлаждая его ниже температуры кристаллизации воды. На стенке цилиндра с наружной стороны образуются кристаллы льда. После отделения льда от маточного раствора поршень возвращают в исходное положение, сжимая пары хладоагента. При этом хладоагент начинает конденсироваться, а выделяющаяся теплота нагревает стенки цилиндра. Это приводит к плавлению кристаллов льда и образованию пресной воды. Предлагаемый метод позволяет в циклическом режиме многократно повторять цикл "кристаллизация воды - плавление льда".
Основной формой передачи энергии в данном методе является работа расширения в цилиндре с поршнем и хладоагентом. При совершении этой работы используется теплота стенок цилиндра и контактирующего водного раствора. Вследствие этого понижается запас энергии водного раствора и достигается температура кристаллизации воды.
Использование работы как формы передачи энергии, например, вместо теплоты в методе дистилляции, не создает экологических проблем в виде парникового эффекта или повышения температуры окружающей среды. Единственная задача - поиск способа применения использованного водного раствора.
Данный метод извлечения воды из растворов вымораживанием универсален и его можно использовать при утилизации промышленных, сельскохозяйственных или других стоков, а также для концентрирования водных растворов благородных и редкоземельных металлов.
Литература
Rudenko B. How to replenish water resources. Science and life. 2017. N 12 (in Russian) (archive / 483/ 11798).
Kecher R. Freshwater crisis and ways to solve it. Electronic scientific seminar. № 0644, 04.06.2017. https://www. electron 2000. com./article/1920.html (in Russian).
Shi W., Gao X., Mao J., Qian X., Liu W., Wu F., Li H., Zeng Z., Shen J., Cao X. Exploration of Energy Storage Materials for Water Desalination via Next-Generation Capacitive De-ionization. Front. Chem., 15 May 2020/ https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00415.
Suss M.E., Porada S., Sun X., Biesheuvel P.M., Yoon J., Presser V. Water Desalination via Capacitive Deionization: what is it and what can we expect from it? Energy Environ. Sci. 2015. V. 8. P. 2296-2319.
Kim T., Gorski C.A., Logan B.E. Low Energy Desalination using Battery Electrode Deionization. Environ Sci. Technol. Lett. 2017. V. 4. P. 444-449.
Deng D., Dydek E.V., Han Ji-H., Schlumpberger S., Mani A., Zaltznaan B., Bazant M.Z. Overlimiting Current and Shock Electrodialysis in Porous Media. Langmuir. 2013. V. 29 (52). P. 16167-16177. DOI: 10.1021/ Ia-4040547, De-cember 9, 2013. http://pubs. acs. org/ doi/ abs/10.1021/ Ia-4040547.
Tian H., Alkhadra M.A., Conforti K.M., Bazant M.Z. Continuous and Selective Removal of Lead from Drinking Water by Shock Electrodialysis. 2021, 22 September, Enviromental Science and Technology - Water. DOI: 10.1021/ acseswater. 1c00234.
Schlumpberger S., Lu N.B., Suss M.E., Bazant M.Z. Scalable and Continuous Water Deionization by Shock Electrodialysis. Environ Sci. Technol. Lett. 2015. V. 2. N 12. P. 367-372.
Afanasyev V.S. Hydrowave method for water purification and desalination. Water treatment. Water treatment. Water supply. 2009. N 3 (15). P. 100-104. (in Russian)
Yadav V., Timaru D.P., Bhagat M. Isotherm, Kinetics and Thermodynamic Parameter Study of Arsenic (III) and Copper (II) Adsorption onto Limonia Acidissima shell Carbon. Desalination and Water Treatment. 2020. V. 184. P.214-224. April. DOI: 10.5004/dwt.2020.25369.
Heiranian M., Farimani A.B., Aluri M.R. Water Desalination with a singlelayer MoS2 Nanapore. Nature Communication / 6: 8616/ DOI: 10.1038/ ncomms 9616 / www: nature com / nature communications. Published 14 Oct 2015.
Humplick T., Lee J., O'Hern S.C., Fellman B.A., Baig M.A., Hassan S.F., Atiech M.A., Rahman F., Laoui T., Karnick R., Wang E.N. Nanostructured Materials for Water Desalination. Nanotechnology. 2011. V. 22. 292001 (19 pp). DOI: 10.1088/0957-4484/22/29/292001.
Anjium M., Miandad R., Wagas M., Giehany F., Barakat M.A. Remidiation of Wastewater using various Nanomaterials. Arabic Journal of Chemistry. 2016. https://dx.doi.org/10.1016/j.arabic. 2016.10.004.
Wang P. Emerging Investigator Series: the Rise of Nanoenabled Photothermal Materials to Water Evaporation and Clean Water Production by Sunlight. Environmental Science: Nano. 2018. V. 5.P.1078-1089.
Li X., Xu W., Tang M., Zhou L., Zhu B., Zhu S., Zhu J. Grafene Oxidebased Efficient and Scalable Solar Desalination under One Sun with a Confined 2D Water Path. Proceedings of the National Academy of Sciences. Dec. 2016, V. 113. N 49. P.13953-13958. DOI: 10.1073/pnas.1613031113.
Sosnovsky A. Scalable Solar Desalination under One Sun with a Confined 2D Water Path. Proceedings of the National V. The use of natural cold for the purification and desalination of salt water. Plumbing, heating, air conditioning. 2018. N 6. P. 38-41. (in Russian).
Sosnovsky A.V., Kontorovich I.I. On the calculation of desalination of mineralized porous ice during melting. Ice and snow. 2016. V. 56. N 4. P. 545-554. (in Russian).
Lappeenranta University of Technology, LUT. New Technology Purifies Wastewater by Freezing it first: Possible Applications in Mineral Extraction Industry. Science Daily, 12 January 2015. www. scien-daily.com/releases/2015/01/150112093127.htm.
Kang Y.S., Liu Q.S., Yan J. Thermodynamic Properties of Water during Phase Transition and Simulation on Freezing Process in Fractured Rock. Advanced Materials Research. 2011. V. 328-330. P. 9-12. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.328-330.9.
Mao X., Miller C., Hou Z., Khandker A., Xiao X. Experimental Study of Soil Water Migration in Freezing Process. Geotechnical Testing Journal. May 2014. V. 37. N 3. DOI: 10.1520/GT/20130119.
Zhang M., Zhang X., Lu J., Pei W., Wang C. Analysis of Volumetric Unfrozen Water Contents in Freezing Soils. Exp. Heat Transfer. 2019. V. 32. P. 426-438.
Huang S., Liu Q., Cheng A., Liu Y., Liu G. A. Fully Coupled Thermo-Hydro-Mechanical Model Including the Determination of Coupling Parameters for Freezing Rock. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2018. V. 103. P. 205-214.
Ravdel A.A., Ponomareva A.M. A brief reference of physico-chemical quantities. Tenth edition, ispr. and supplement. - St. Petersburg: "Ivan Fedorov". 2003. 240 p. (in Russian).
