CC BY
17
УДК66.081
Быков В.И., Ильина С.И., Логинов В.Я., Равичев Л.В., Титов А.А. МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Быков Владислав Игоревич - аспирант 2 года обучения кафедры процессов и аппаратов химической технологии; [email protected].
Ильина Светлана Игоревна - кандидат химических наук, доцент кафедры процессов и аппаратов химической технологии.
Логинов Владимир Яковлевич - кандидат химических наук, доцент кафедры процессов и аппаратов химической технологии.
Равичев Леонид Владимирович - кандидат химических наук, доцент кафедры процессов и аппаратов химической технологии.
Титов Алексей Алексеевич - магистрант 2-го года обучения кафедры процессов и аппаратов химической технологии.
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены мембранные методы получения электрической энергии - осмотические электростанции и обратный электродиализ. Оба метода основаны на градиенте солености, в частности -речной и морской воды.
Ключевые слова: обратный электродиализ, осмос, осмотическая электростанция, речная вода, морская вода.
MEMBRANE METHODS FOR PRODUCING ELECTRIC ENERGY
Bykov V.I., Il'yina S.I., Loginov V.Ya., Ravichev L.V., Titov A.A.
The article discusses membrane methods for generating electrical energy - osmotic power plants and reverse electrodialysis. Both methods are based on the salinity gradient, in particular, river and sea water. Keywords: reverse electrodialysis, osmosis, osmotic power plant, river water, sea water.
Введение
Энергетическая проблема — одна из основных проблем человечества. В нынешнее время мы сталкиваемся с проблемой энергетического кризиса, который влечет за собой ряд других экологических и экономических проблем. На протяжении многих лет использование различных видов энергии в мире увеличивается стремительными темпами.
Основными источниками электроэнергии являются теплоэлектростанции, гидроэлектростанции,
атомные электростанции. Главные проблемы этих источников - использование невозобновляемых ресурсов и загрязнение окружающей среды.
К нетрадиционным источникам электроэнергии относятся источники, использующие
возобновляемые ресурсы - к ним можно отнести ветроэнергетику, солнечную энергию и энергию приливов.
Главным преимуществом альтернативного получения энергии, помимо использования возобновляемых ресурсов, является отсутствие загрязнений среды при производстве энергии, а главными недостатками - высокая стоимость получаемой энергии (в разы превышающая стоимость энергии, получаемой традиционными способами), наличие суточных флуктуаций при получении электроэнергии.
Также стоит отметить загрязнение среды при производстве и утилизации компонентов нетрадиционных электростанций - свалки лопастей ветрогенераторов, загрязнение среды при производстве солнечных панелей.
На данный момент ведутся исследования альтернативных методов получения энергии с применением полупроницаемых мембран -осмотических электростанций [1].
Осмотические электростанции основаны на осмотическом переносе воды из-за разницы (градиента) концентраций речной и морской воды. Схема процесса представлена на рисунке 1.
Сброс
Мембранный аппарат
Морская вода
Речная вода
Турбина генератора
<@н
Сброс
Рис. 1. Схема получения электроэнергии на осмотической электростанции
Процесс проводится в двухкамерном аппарате, разделенным полупроницаемой мембраной. При этом за счет осмоса вода из камеры с более низкой концентрацией, т.е. речной водой, переносится в камеру с более высокой концентрацией, т.е. морской водой, пока разница осмотических давлений не сравняется с давлением в камере с более высокой
концентрацией. В результате, в отсеке с морской водой создается избыточное давление, которое используется для вращения турбины, которая вырабатывает электрическую энергию.
На данный момент в мире существует экспериментальная осмотическая электростанция, построенная компанией Statkraft в Норвегии, городе Тофте, на территории целлюлозно-бумажного комбината «Sodra Cell Tofte». Производительность электростанции - 4 КВт, к 2015 году планировалось расширение электростанции до 25 МВт. Однако, в 2014 году Statkraft объявила о прекращении этого проекта вследствие низкой рентабельности из-за низкого градиента концентраций.
Также в последнее время начал развиваться другой мембранный метод - обратный электродиализ.
Обратный электродиализ - это процесс преобразования разности концентраций в электрическую энергию. При этом под действием диффузии в модуле создается направленный ток ионов за счет диффузии из камеры с более высокой в камеру с более низкой концентрацией. Катионы, согласно градиенту концентрации, диффундируют через полупроницаемую катионообменную мембрану из соленого потока в обессоленный. Таким же образом переходят анионы, но через полупроницаемую анионообменную мембрану. Ионный ток преобразуется в электрический на окислительно-восстановительных электродах. Схема процесса представлена на рисунке 2.
Речная водэ
Морская водэ
AM
Км
AM
Км
AM I КМ
<—Г
о--t>
о-
t>
о-
±
Морская вода
Рис. 2. Схема процесса обратного электродиализа
Экспериментальная часть
Энергию градиента солености можно охарактеризовать как энергию смешения двух растворов с разной концентрацией соли — низкой (обессоленный раствор) и высокой.
Мощность обратного электродиализа можно рассчитать по формуле 1, включающей в себя параметры аппарата (число и площадь мембран), параметры мембраны (селективность,
сопротивление) и параметры потоков (активности и удельное сопротивление растворов).
Wmax =
лил
(1)
(НАЕМ+ КСЕМ+(1с/кс+ с1с! /Ы) ' где а - селективность мембран, N - число мембранных пар (штук), А - площадь мембраны [м2]; ас и аd - активности концентрированного и разбавленного растворов соответственно; ЯАЕМ и ЯСЕМ - сопротивление аннонообменной и катионообменной мембран [Ом * м]; с/с, с/с/ -толщина отсеков концентрирования и обесссоливания [м]; ^ и Ы - удельное сопротивление концентрированного и разбавленного растворов соответственно.
Как можно увидеть, для проведения процесса необходимы мембраны, обладающие низким сопротивлением. Значительный вклад вносит удельное сопротивление растворов, которое связано с концентрацией раствора. С увеличением солесодержания удельное сопротивление раствора падает, следовательно, основной вклад в сопротивление в уравнение вносит наименее концентрированный раствор.
Также стоит отметить, что влияние оказывает не разница концентраций (как в диффузионных процессах, к примеру, в рассмотренной выше осмотической электростанции), а отношение активностей (концентраций) концентрированного и разбавленного растворов.
В работе по изучению и практическому применению обратного электродиализа для получения энергии из градиента солености морской и речной [2] воды было отмечено, что его невозможно использовать, так как при больших производительностях потребление электроэнергии насосами превышает производительность
электродиализатора. Возможными путями решения данной проблемы является использование небольших потоков с более высокой концентрацией, применение более энергоэффективных насосов, а также мембран и аппаратов с меньшим гидродинамическим сопротивлением. Из-за этого встает вопрос о возможности применения обратного электродиализа на практике.
Проанализировав достоинства и недостатки предлагаемого метода, мы пришли к выводу, что он может быть использован на химических предприятиях, где промышленные сточные воды имеют высокую концентрацию, а также подаются под давлением. Такой вариант может решить вышеуказанные проблемы и сгенерировать часть электроэнергии, которая может быть возвращена обратно в процесс. Также при использовании его на концентрированных растворах можно будет решить проблему со сбросом концентрата в различных производствах (в результате процесса происходит разбавление). Также другим возможным решением является использования малых потоков. На этом принципе нами разрабатывался портативный источник питания при чрезвычайных ситуациях.
Зависимость мощности от солесодержания более концентрированного раствора (от 1 до 100 г/л) при
постоянном солесодержании менее
концентрированного раствора (0,3 г/л) представлена на рисунке 3. С увеличением солесодержания увеличивается мощность установки.
50
45
40
35
Ей
£ по
g
С iS
:
3" о 20
S
15
10
5
0
О 20 40 ЬО ВО 1(Х) 120
Концентрация, г/л
Рис. 3. Зависимость получаемой мощности от солесодержания более концентрированного раствора при постоянном солесодержании менее концентрированного раствора
Зависимость мощности от отношения солесодержаний при различных солесодержаниях высококонцентрированного потока представлена на рисунке 4. Как видно из графика, сначала начинается увеличение производительности, это связано с тем, что основной вклад в уравнение вносит отношение солесодержаний (концентраций). После достижения определенного порога, основной вклад вносит удельное сопротивление, которое увеличивается с уменьшением солесодержания менее
концентрированного раствора, поэтому на графике наблюдается экстремум и снижение получаемой мощности.
Стоит уточнить, что из-за диффузионного переноса солесодержание и удельное сопротивление будет изменяться. Максимальная мощность во всех случаях наблюдается при отношении солесодержаний между 15 и 25.
Рис. 4. Зависимость получаемой мощности от отношения солесодержаний при различных
солесодержаниях более концентрированного раствора
Заключение
К недостаткам обоих методов можно отнести достаточно низкое количество производимой электроэнергии. Также к недостаткам можно отнести то, что основным отходом являются солоноватые воды. Сброс солоноватых вод в окружающие воды, если он будет производиться регулярно и в больших количествах, вызовет колебания солености. Хотя некоторое изменение солености является обычным в местах, где речная вода впадает в океан или море, воздействие солоноватых вод на экосистемы можно свести к минимуму, откачивая ее в море и сливая в средний слой, подальше от поверхностных и донных экосистем.
Список литературы
1. N. El Bassam, Distributed Renewable Energies for Off-Grid Communities. Elsevier, 2021. -594с.
2. Быков В.И., Ильина С.И., Равичев Л.В., Вегель Д.А., Титов А.А. Оценка эффективности получения электроэнергии методом обратного электродиализа // Сборник материалов ХXVII международной научно-практической конференции «Академическая наука -проблемы и достижения». -2021. -С. 87-90.
