DE3912793A1

DE3912793A1 - Verfahren und vorrichtung zur meerwasserentsalzung und zur gewinnung von energie und der im meerwasser enthaltenen rohstoffe

Info

Publication number: DE3912793A1
Application number: DE3912793A
Authority: DE
Inventors: Grigori Isayewiz Prof Berleyev
Original assignee: Dombaj GmbH
Current assignee: Dombaj GmbH
Priority date: 1989-04-19
Filing date: 1989-04-19
Publication date: 1990-10-25
Also published as: JPH04504674A; DD293800A5; CN1056669A; EP0468981A1; FI914891A0; US5124012A; YU78090A; PT93805A; OA10037A; WO1990012758A1; NZ233383A; CA2053263A1; AU5407490A; IL94116A0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Meerwasserentsalzung und zur Gewinnung von Energie und der im Meerwasser enthaltenen Rohstoffe.

Nach dem Stand der Technik sind im wesentlichen drei grundlegen de Methoden zur Meerwasserentsalzung bekannt:

1. die Gewinnung des Wasser durch Änderung seines Aggregatzu standes, also durch Verdampfung oder Kristallisation,
2. Entsalzung durch elektrolytische Verfahren und
3. die umgekehrte Osmose.

Die z.B. bei der Verdampfung und Destillation von Wasser aufzu wendende Energie beträgt ca. 25 bis 50 kWh/m³ Wasser, ist also mit einem hohen Energieaufwand verbunden, wobei die aufzubrin gende Wärme zumindest weitgehend verlorengeht. Darüber hinaus haben Destillieranlagen den Nachteil, daß sie einer erheblichen Korrosionsgefahr ausgesetzt sind, die einen Austausch der mit dem Meerwasser in Berührung kommenden Teile nach 1 1/2 bis 2 Jah ren erforderlich macht. Die Produktivität dieser Destillieran lagen ist auf maximal 1000 m³ pro Tag beschränkt.

Der Prozeß des Einfrierens basiert auf der Bildung und dem Wachstum einzelner Kristalle, an die sich nur chemisch gleichar tige Stoffe kristallisierend anlagern, während Fremdpartikel keinen Platz im Gitter finden. Die Bildung zwischenkristalliner Zonen, in die auch Fremdpartikel eingelagert werden können, vollzieht sich bei wäßrigen Lösungen, wenn ungefähr 50% der Salzlösung in den festen Zustand übergegangen sind. Die zum Ein frieren in der beschriebenen Weise notwendigen Kühlaggregate ar beiten ebenfalls mit einer geringen Effizienz, sind jedoch ver fahrenstechnisch sehr aufwendig. Im Ergebnis sind jedenfalls die beschriebenen Varianten relativ kostspielig.

Bei der Elektrodialyse werden die Ionen direkt aus der Salzlö sung extrahiert, wobei die Ionen ihre Ladung an den Elektroden abgeben und sich die hierbei gebildeten Metallatome an der Ka thode abscheiden. Dieses Verfahren ist im Prinzip nur bei schwa chen Salzlösungen anwendbar, nicht jedoch bei der Entsalzung von Meerwasser, indem die Konzentration der fluktuierenden Ionen bei 10⁵ Coulomb pro Liter Lösung liegt. Versuche, die Zahl der zu extrahierenden Ionen durch Einsatz von Ionenfiltern zu erniedri gen, sind daher ungeeignet, da diese Filter nach kurzer Zeit in folge der dort abgelagerten Ionen unbrauchbar werden. Auch bei elektrolytischen Verfahren tritt das Problem der Korrosion ver stärkt in den Vordergrund.

Auch die sogenannte umgekehrte Osmose konnte sich technisch noch nicht durchsetzen, da die in den größten Versuchsanlagen gewon nene Wassermenge 1000 Liter pro Tag kaum überstieg. Die Salzlö sung wird bei der umgekehrten Osmose durch Zelluloseacetatmem branen gepreßt, wobei Drücke in der Größenordnung von 50 bar, zum Teil auch bis 100 bar angewendet werden. Die mechanische Beanspruchung der Membranen ist dementsprechend groß. Ein Nach teil dieser Entsalzungsmethode ist, daß die Membranen nach län gerem Gebrauch durch verschiedene Ursachen, z.B. Bakterienbe fall, unbrauchbar werden. Die umgekehrte Osmose hat zwar gegen über den zuvorstehenden Methoden den Vorteil, daß nur niedrige Energiemengen aufgewendet werden, jedoch kann diese die Nachtei le der geringen Produktivität sowie der Gefahr der Membranbe schädigung nicht aufwiegen.

Darüber hinaus sind die Probleme der zukünftigen Energieversor gung keineswegs als gelöst zu betrachten. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht Kohlendioxid, dessen prozentuale Erhöhung in der Atmosphäre ernsthafte klimatische Konsequenzen befürchten läßt. Die Energiegewinnung durch Kernspaltung schafft Probleme der Beseitigung der radioaktiven Abfälle. Die Energie gewinnung aus der Sonnenenergie oder in Windkraftwerken hat zwar den Vorteil, abfallfrei zu sein, ist jedoch als wirtschaftlich fehlgeschlagen zu betrachten.

Somit besteht nach wie vor ein dringendes Bedürfnis an der Schaffung neuer Energiequellen, die sich wirtschaftlich und ohne Umweltbelastung nutzen lassen.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Energie quellen zu erschließen, gleichzeitig ist es Aufgabe der vorlie genden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Meer wasserentsalzung zu schaffen, das bzw. die wirtschaftlich ohne Umweltbelastung arbeiten.

Zum einen wird diese Aufgabe durch das im Anspruch 1 beschriebe ne Verfahren gelöst. Die Grundidee dieses Verfahrens geht in Ab weichung von dem bisherigen Stand der Technik davon aus, daß die im Meerwasser dissoziierten Ionen ohne wesentlichen energeti schen Aufwand aus dem Wasser extrahiert werden und ihre Energie selbst wie auch deren Rohstoffgehalte nutzbar gemacht werden. Die hierzu erforderliche Energie kann auf die Menge reduziert werden, die zum Hochpumpen des Wassers erforderlich ist; um einen Kubikmeter Wasser einen Meter hochzupumpen, werden ledig lich 0,003 kWh benötigt, die übrige Energiemenge zur Aufrechter haltung des elektrostatischen Feldes ist um 1000stel niedriger und kann demgegenüber vernachlässigt werden. Demgegenüber wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Energie von 55 kWh frei gesetzt, die im Salzwasser bei angenommenen 35 kg Salz/m³ gebun den ist. Unter der Annahme von 3×10²⁶ Paaren von Ionen, d.h. 6× 10²⁶ Ionen/m³ beträgt die Ladung etwa 10⁸ Coulomb, was einem Energiegehalt durch Coulomb′sche Kräfte von 2,6×10^-21 Joule entspricht. Die kinetische Energie der Ionen ist hingegen mit 5,8×10^-21 Joule nahezu dreimal so groß, so daß unter Ausnut zung der hohen Beweglichkeit der Ionen eine Ionentrennung ohne Neutralisation durchführbar ist. Die erwähnten 55 kWh ergeben sich aus einer Molekülenergie von 7×10^-19 Joule pro Paar, mul tipliziert mit der Anzahl der Paare (3×10²⁶), d.h. zu 2,1× 10⁸ Joule = 55 kwH.

Da das erfindungsgemäße Verfahren (sowie die später behandelte Vorrichtung) auch quantitativ große Mengen Meerwasser entsalzen läßt, ist die Bereitstellung von 1 bis 5 Millionen Kubikmeter deionisiertem Wasser pro Tag ohne weiteres möglich, etwaige Kor rosionsgefährdungen können durch Verwendung von Kunststoffen als Auskleidung der Rohrleitungen vermieden werden.

Dazu ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren neben der Meer wasserentsalzung und der Energiegewinnung die Extraktion von den im Meerwasser gebundenen Rohstoffen, im wesentlichen Alkali- und Erdalkalimetalle, Wasserstoff und Chlorgas.

Nach dem grundlegenden Gedanken der Erfindung werden die un gleichnamigen Ionen unter Ausnutzung ihrer gegenüber den Cou lomb′schen Anziehungskräften höheren kinetischen Energie in einem elektrostatischen Feld getrennt, jedoch durch die starke Sogwirkung des abfließenden Wassers aus dem elektrostatischen Feld abgeführt, ohne neutralisiert zu werden. Die jeweiligen nur gleichnamige Ionen enthaltenden Wasserströme werden anschließend an Konduktoren vorbeigeführt, wo sie entladen werden. Die hier bei entnehmbare Ladung kann als Gleichstrom unmittelbar abge führt werden, wobei der Gleichstrom den Vorteil hat, daß der Spannungsverlust auch beim Transport über extrem lange Leitungen erheblich niedriger ist als vergleichsweise beim Wechselstrom transport.

Um einen die Fließgeschwindigkeit der abgeführten Ionenströme hindernden Ladungsstau in der Abführzone der ersten Stufe zu verhindern, werden die betreffenden Wasser/Ionen-Ströme in geer deten Leitungen geführt. Die bereits deionisierte Wassermenge der ersten Stufe kann getrennt hiervon abgezogen werden und be trägt ca. 20% bezogen auf die eingesetzte Wassermenge.

Nach einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Ionenströme auf einem ungeerdeten Leitungsteilstück in einem solchen Abstand parallel zueinander geführt, daß die Coulomb′schen Anziehungskräfte wirksam werden mit der Folge, daß sich die ungleichnamigen Ionen jeweils in den sich gegenüberlie genden Randzonen der Leitungen weiter konzentrieren, wobei gleichzeitig die ferner abliegenden Strömungsschichten deioni siert werden, so daß durch eine entsprechende Leitungsgabelung das deionisierte Wasser einerseits und die mit starker Ionenkon zentration versetzten kleineren Wassermengen andererseits je weils getrennt transportiert werden. Vorzugsweise wird die Lei tungsführung in dieser zweiten Stufe so gewählt, daß 95 bis 97% deionisiertes Wasser abgeführt werden können, so daß nach der zweiten Stufe nur ca. 2,4 bis 4% der ursprünglichen Wassermenge mit starker Ionenkonzentration zu den Konduktoren geführt wer den.

Vorzugsweise wird in der ersten Stufe ein möglichst großes elek trostatisches Feld aufgebaut, was durch Anlegen einer Spannung zwischen 200 und 500 kV an die Elektroden bewerkstelligt wird. Die bevorzugte Fließgeschwindigkeit der jeweils getrennten Ionenströme liegt zwischen 3 bis 7 m/sec. Wie bereits weiter oben angesprochen, kann der Meerwasserfluß bzw. Fluß der wäßrigen Ionenlösung dadurch aufrechterhalten werden, daß das Meerwasser vor der ersten Stufe in einen Vorratsbehälter z.B. einer Höhe von 8 bis 10 Meter, gepumpt und der Wasser- bzw. Ionenfluß al lein durch Verbrauch der zuvor gewonnenen potentiellen Energie aufrechterhalten wird. Mit anderen Worten, es werden nach dem Hochpumpen des Wassers lediglich die Gravitationskräfte zur Auf rechterhaltung des Flusses ausgenutzt. Hierbei hat es sich als verfahrenstechnisch nützlich erwiesen, wenn das Meerwasser in der ersten Stufe von unten in einen mit im wesentlichen vertika len flächenartigen Elektroden ausgestatteten Raum eingeleitet wird, wobei die Ionen durch das zwischen den Elektroden herr schende elektrostatische Feld jeweils in Richtung der Elektroden abgelenkt werden. Bevor die Ionen die Elektroden erreichen, wer den sie jedoch durch den in die abführenden Leitungen gerichte ten Strömungsfluß abgesogen, wodurch die beschriebene Ionen trennung in zwei Ströme mit jeweils gleichnamigen Ionen (positiv oder negativ) erreicht wird. Das bereits deionisierte Wasser wird vorzugsweise oberhalb der Elektroden abgeführt. Um sicher zugehen, daß die Ionen die Elektroden nicht erreichen und dort neutralisiert werden, sind die Elektroden der ersten Stufe mit einem Dielektrikum überzogen.

Während es in der ersten Stufe darauf ankommt, die Fließge schwindigkeit möglichst in Abstimmung des elektrostatischen Fel des relativ hoch zu wählen, wird vorzugsweise in der zweiten Stufe zur Vermeidung einer dortigen langen Leitungsführung die Fließgeschwindigkeit der Ionen durch Leitungsquerschnitt ver langsamt, etwa auf 40 bis 60% der vorherigen Geschwindigkeit. Hierdurch können sich die Coulomb′schen Kräfte zwischen den un gleichnamigen Ionen, die in jeweils getrennten Leitungen geführt werden, besonders wirksam auswirken, wobei die Abstoßungskraft der gleichnamigen Ladungen untereinander durch die gesamte Cou lombkraft der Summe aller Ladungsträger überwunden wird.

Um eine Störung des Verfahrens durch Feststoffe, organische Le bewesen, Pflanzen, Kolloide etc. zu verhindern, wird das Meer wasser vor Einleitung in die erste Stufe mechanisch gefiltert.

Nach Ladungsabgabe an den Konduktor werden die neutralen Metal le, die sich in hochkonzentrierter Form in wäßriger Lösung be finden, in ein Reaktionsgefäß geleitet, wo (flüchtiger) Wasser stoff, Metalle (im wesentlichen Alkali- und Erdalkalimetalle) sowie Chlorgas gewonnen werden. Der Wasserstoff entsteht nach folgenden chemischen Gleichungen:

2 Na + 2 H₂O → 2 Na(OH) + H₂
2 K + 2 H₂O → 2 K(OH) + H₂
Mg + 2 H₂O → Mg(OH)₂ + H₂
Ca + 2 H₂O → Ca(OH)₂ + H₂

Unter der Annahme, daß die häufigsten Elemente im Meerwasser et wa in der nachstehend angegebenen Menge vorkommen, können hier durch pro Kubikmeter Meerwasser 470 Mol. H₂ gewonnen werden.

Die obenstehenden chemischen Reaktionen laufen exotherm ab, so daß die dabei entstehende Wärme abgeführt werden muß und nutzbar gemacht werden kann. Etwa in dem auffangbaren molekularen Was serstoff enthaltene gasförmige Wasserpartikel werden durch Kon densation abgetrennt, um reinen Wasserstoff zu erhalten.

Die in Lösung verbliebenen Laugen haben ein unterschiedliches spezifisches Gewicht, was ihre Trennung in verschiedene Fraktio nen ermöglicht. Natron- und Kalilauge (NaOH und KOH) sind unmit telbar industriell verwertbar.

Magnesiumhydroxid und Calziumhydroxid können unabhängig vonein ander zur Trennung von Magnesium bzw. Calzium weiterverarbeitet werden, was durch Erhitzung der betreffenden Laugen zu Metall oxiden (MgO bzw. CaO) und anschließendem Wasserstoffüberfluß nach den Gleichungen

MgO + H₂ → Mg + H₂O
CaO + H₂ → Ca + H₂O

geschieht. Die Trennung von Magnesium und Calzium kann vorzugs weise unter Ausnutzung der verschiedenen Schmelzpunkte durchge führt werden. Der Schmelzpunkt von Magnesium liegt bei 651°C, während der des Calziums bei 881°C liegt. Bei einer Temperatur von ca. 700°C schmilzt das in der Mischung enthaltene Magnesium und kann in flüssiger Form abgeführt werden, entsprechend wird das Calzium durch Erwärmung auf 900°C geschmolzen und ebenfalls in einen fließfähigen Zustand gebracht.

Ein weiteres nutzbares Element ist das in großen Mengen im Meer wasser enthaltene Chlor. Dieses kann nach der Neutralisation in der Konduktor-Stufe zunächst in gelöster Form in einen Reak tionsbehälter überführt werden, in welchem es allmählich unter Bildung von Wasser und Chlorgas ausreagiert. Das flüchtige Chlorgas kann aufgefangen und zur etwaigen Reinigung von ver dampftem Wasser einem Kühler zugeleitet werden. Das gereinigte Chlorgas wird vorzugsweise in einem Kondensor bis auf-50°C ge kühlt und komprimiert.

Pro Kubikmeter Wasser können so ca. 224 Mol Chlorgas, 24 kg Alkalimetalle, 3 kg Magnesium und 0,6 kg Calzium gewonnen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit in einer großtechni schen Anlage, wie auf motorgetriebenen Schiffen, anwendbar, die sowohl die elektrische Energie als auch den produzierten Wasser stoff als Energiespeicher und -lieferant nutzen können. Hierbei hat die Verwendung von Wasserstoff, dessen Energie fast dreimal so hoch wie die der Kohlenwasserstoffe ist, den Vorteil, daß die Verbrennung giftstofffrei abläuft.

Die Aufgabe wird ferner durch die im Patentanspruch 22 gekenn zeichnete Vorrichtung gelöst. Weiterentwicklungen sind in den Ansprüchen 23 bis 32 beschrieben. Wesentliche Teile dieser Vor richtung sind die bereits oben bezeichnete erste Stufe, in der in einem elektrostatischen Feld ungleichnamige Ionen voneinander getrennt werden. Dieses Feld wird durch ein flächenartiges Elek trodenpaar, auf das Spannungen zwischen 200 und 500 kV gegeben werden, gebildet, wobei die Elektroden vorzugsweise gleichzeitig als zwei der vier Wandungen eines prismenförmigen Behälters die nen. Die Meerwassereinleitung wird durch eine Abflußleitung aus einem vorzugsweise 8 bis 10 m hohen Vorratstank vorgenommen, wo bei das bereits deionisierte Wasser (etwa 20%) oberhalb der Elektroden und die Wasserströme mit ungleichnamigen Ionen unter halb der Elektroden in Abflußkanäle bzw. -leitungen abführbar sind. Diese Abflußkanäle führen zu Konduktoren, in denen die La dungsentnahme erfolgt, bevor in einer Trennvorrichtung Wasser stoff, Alkalilaugen, Erdalkalimetalle und Chlorgas gewonnen wer den.

Vorzugsweise sind die beiden Abflußkanäle geerdet, wobei nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Erdung der Ab flußkanäle auf einem Teilstück unterbrochen ist und die Abfluß kanäle in diesem Bereich auf einen Abstand zwischen 2,5 und 3 m parallel zueinander geführt werden. In diesem Bereich zweigt auch jeweils eine weitere Abführleitung für deionisiertes Wasser ab, während die Abflußkanäle zur weiteren Führung der noch stär ker konzentrierten Ionen in wäßriger Lösung einen erheblich kleineren Radius haben. So besitzen die Abflußkanäle vor dem Teilstück einen Durchmesser von 8 bis 12 cm, in dem Teilstück einen aufgeweiteten Durchmesser, vorzugsweise auf den 1,3- bis 2fachen Querschnitt und hinter der abgezweigten Abführleitung einen demgegenüber nur 3 bis 5% großen Querschnitt. Der Abstand der Abflußkanäle vor und hinter dem besagten Teilstück, in dem die weitere Ionenkonzentration erfolgt (zweite Trennstufe), be trägt mindestens 3 m. Zur Vermeidung von Korrosion sind der Vor ratstank, der zweite Behälter, die Elektroden, die Abflußkanäle und/oder die übrigen Abfluß- bzw. Zulaufrohre innen mit Kunst stoff, vorzugsweise PVC, ausgekleidet.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausbildung sind die Elektroden im unteren Bereich des zweiten Behälters (Abflußbereich) nach außen abgebogen.

Der Vorratstank besitzt mehrere Filter und/oder Schlammablage rungsbecken, so daß das in den Vorratsbehälter gepumpte Wasser vor seiner Weiterleitung in den zweiten Behälter (elektrostati sches Feld) mehrere schlangenförmig angeordnete Kammern bzw. Filtersiebe durchläuft.

Die Trennvorrichtung zur Gewinnung der im Meerwasser enthaltenen chemischen Substanzen besteht aus mehreren jeweils einzeln nach dem Stand der Technik im Prinzip bekannten Reaktionsbehältern, Abscheidebehältern und Auffangbehältern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsge mäßen Anlage und

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht dieser Anlage zur Meerwasserentsalzung und Energiegewinnung in großtechnischem Maßstab.

Das Meerwasser 10 wird mittels einer oder mehrerer Pumpen 11 über eine unterhalb des Meeresspiegels 12 endende Zuleitung 13 in einen Vorratstank 14 gefördert. Um Festkörper, Plankton, Al gen sowie Kolloide etc. von vornherein zu separieren, ist am En de der Zuleitung ein Filter 15 vorgesehen. Der Vorratstank 14 ist etwa 8 bis 10 m hoch und besitzt ein Fassungsvermögen, das ausreicht, um eine Wasserzufuhr in die nachfolgenden Anlagentei le auch in dem Fall zu ermöglichen, wenn eine Pumpe 11 ausfällt oder ein Filter 15 kurzzeitig gereinigt werden muß. Die Pumpe 11 ist auch das einzige Anlagenteil, das Energie benötigt, nach dem Hochpumpen des Wassers wird der weitere Strömungsfluß allein durch Gravitationskräfte aufrechterhalten. Vom Vorratstank 14 führt mindestens eine mit einem Regelventil 18 ausgestattete Ab flußleitung 16 zu einem zweiten Behälter 17. Die Abflußleitung 16 mündet in diesen Behälter 17 in dessen im wesentlichen recht eckigen bzw. quadratischen Bodenbereich. Der Behälter 17 ist im übrigen im wesentlichen prismatisch aufgebaut, wobei zwei der vier Wände als Elektroden 19, 20 ausgebildet sind, die mit ent sprechenden Steuer- und Versorgungseinrichtungen verbunden sind. Im Bereich des Prismendaches befindet sich eine Abflußleitung 21 zur Ableitung deionisierten Wassers. Unterhalb der Elektroden, deren unteres Ende nach außen abgebogen ist, befinden sich zwei Abflußkanäle 22, 23, deren Durchmesser jeweils 10 cm beträgt. Diese Abflußkanäle 22, 23 sind geerdet und führen zu einer wei teren zweiten Ionentrennstufe 24, in der die Erdung der Abfluß kanäle aufgehoben ist und die Abflußkanäle von einem Abstand von 3 m auf einen Abstand von 0,5 m zueinander geführt werden. In dieser zweiten Ionentrennstufe ist der Abflußkanaldurchmesser erweitert, um eine geringere Fließgeschwindigkeit zu erzeugen. Die Fließgeschwindigkeit ist so abgestimmt, daß der zur Verfü gung stehende Weg s ₂ ausreicht, daß sich die Ionen durch ihre Coulomb′sche Anziehungskraft jeweils in den gegenüberliegenden Randzonen der Abflußkanäle sammeln und über im Durchmesser klei nere Abflußkanäle 25, 26 zu Konduktoren 27, 28 geführt werden, die ebenfalls geerdet sind. Kurz vor dem Ende der zweiten Trenn stufe gehen noch Leitungen 29, 30 für das von Ionen befreite Wasser ab. Die an den Konduktoren 27, 28 abgegebenen Ladungen werden über Leitungen 31, 32 in nach dem Stand der Technik be kannter Weise abgeführt. Der hinter den Konduktoren 27, 28 lie gende Teil der Abflußkanäle 25, 26 mündet unmittelbar in einer Trennvorrichtung 33, 34, in der neben dem Wasserstoff alkalische bzw. erdalkalische Laugen, Calzium, Magnesium sowie Chlor gewon nen werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Die wäßrige Salzlösung wird in den Vorratstank 14 und von dort in den zweiten Behälter 17 geführt, wo sie in das von den Elek troden 19, 20 gebildete elektrostatische Feld gerät. Die Elek troden 19, 20 sind durch Kunststoffüberzüge isoliert, so daß kein elektrischer Kontakt zu der wäßrigen Lösung besteht. Die aufzuwendende Spannung an den Elektroden soll möglichst hoch sein, d.h. z.B. 500 kV. Ist das elektrische Feld einmal aufge baut, so ist der Energieverlust als relativ klein anzusehen, da der Stromfluß von den Elektroden höchstens 5 mA betragen dürfte. Während sich das Meerwasser im zweiten Behälter 17 nach oben be wegt, werden die Ionen derart getrennt, daß die negativen Ionen in Richtung auf die Anode 19 und die positiven Ionen in Richtung auf die Kathode 20 wandern. Die Höhe der Elektroden 19, 20 ist abgestimmt auf die in den Behälter 17 eingeführte Wassermenge und deren Fließgeschwindigkeit, und zwar derart, daß das über die Abflußleitung 21 herausströmende Wasser deionisiert ist. Das angelegte elektrische Feld verhindert hingegen, daß die Ionen über die Abflußleitung 21 abfließen, vielmehr werden die Ionen in Richtung der Pfeile 35, 36 in Verbindung mit dem dortigen Wasserfluß nach unten abgeführt und über die Abflußkanäle 22, 23 etwa mit einer Fließgeschwindigkeit zwischen 5 und 7 m/sec ab transportiert. In der ersten, durch das elektrostatische Feld der Elektroden 19, 20 bestimmten Stufe werden die Ionen also le diglich abgelenkt, hingegen nicht neutralisiert. Bei dieser Ab lenkung verlieren sie einen Teil ihrer kinetischen Energie, was sie gleichzeitig an einer weiteren Bewegung in Richtung der Ab flußleitung 21 hindert. Vielmehr werden sie durch den Sog des in die Abflußkanäle 22, 23 abfließenden Wassers mitgerissen. Sollte der Sog des Wassers entlang der Elektroden 19, 20 nicht ausrei chen, so könnte gegebenenfalls ein weitmaschiges Gitter 37, 38 jeweils vor den Elektroden aufgebaut werden, das einen Fließka nal oberhalb der Abflußkanäle 25, 26 schafft. Dieses Gitter be stünde selbstverständlich aus Kunststoff. Um einen Ladungsstau in den Abflußkanälen 25, 26 zu verhindern, der aufgrund der Cou lomb′schen Anziehungskräfte ungleichnamiger Ionen vorstellbar wäre, sind die Abflußkanäle 25, 26 bis zur zweiten Trennstufe 24 geerdet. Die Erdung endet kurz vor der zweiten Trennstufe, wo die Leitungen auch nahe nebeneinander parallel geführt werden, so daß die Coulomb′sche Anziehungskraft wirksam wird. Diese be wirkt, daß sich die Ionen jeweils in den Randzonen der gegen überliegenden Bereiche sammeln, so daß das deionisierte Wasser über Abflußkanäle 25, 26 abgeführt werden kann, während ein Teil der wäßrigen Lösung mit jeweils allen Ionen (2 bis 5%) über die fortgeführten Abflußkanäle 25, 26 weitergeführt wird. Diese Ab flußkanäle sind ebenfalls geerdet. Die Stromabnahme erfolgt an den Konduktoren, die Wandbereiche der Abflußkanäle 25, 26 dar stellen.

Nur mit dem beschriebenen Verfahren ist es möglich, die einzel nen Ionen zu separieren, wobei jedes einzelne Ion von näherungs weise 55 Wassermolekülen umgeben ist. Die bei der Dissoziation aufzuwendende Energie von etwa 7×10^-19 Joule pro Molekül kann letztendlich nutzbar gemacht werden. Die an den Konduktoren 27, 28 aufgebaute Spannung wird durch die Gleichung U = q/C be stimmt, wobei q die auf den Konduktorplatten erhaltene Ladung und C dessen Kapazität ist.

Nachdem die Ionen, im wesentlichen Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl⁻, Br^-, J^- ihre Ladung verloren haben und chemisch neutrale Atome sind, reagieren sie mit dem Wasser zu entsprechenden Laugen un ter gleichzeitiger Bildung von molekularem Wasserstoff. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird dieser Wasserstoff in Wasserstoffbehäl tern nach vorheriger Abführung und Reinigung von Wasser durch Kondensation gelagert. Der Wasserstoff kann in der Anlage z.B. als Brennstoff verwendet werden. Die verbleibenden Alkali- und Erdalkalilaugen lassen sich aufgrund ihrer verschiedenen spezi fischen Gewichte trennen, wobei die Alkalilaugen unmittelbar technisch verwertbar sind. Die Erdalkalilaugen werden zur Dar stellung der einen Metalle zunächst erhitzt, wobei neben Wasser die jeweiligen Metalloxide entstehen. Die Metalloxide werden in eine weitere Reaktionskammer weitergeleitet, wo sie einer redu zierenden Wasserstoffflamme ausgesetzt werden, wobei die Reak tion durch stetige Wasserabführung aufrechterhalten wird. Die Trennung der einzelnen Erdalkalimetalle, insbesondere des Magne siums und des Calziums erfolgt in einer weiteren Stufe durch stufenweise Erhitzung der Mischung zunächst auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Magnesiums (651°C), aber unter halb des Schmelzpunktes des Calziums (881°C), wodurch das Magne sium flüssig wird und abgeführt werden kann. Nach Erwärmung auf z.B. 900°C wird auch das Calzium flüssig und kann abgeführt wer den. Die verbleibenden Reststoffe werden anderweitig entsorgt. Schematisch ist in Fig. 2 eine Metallrektifikation 40 darge stellt.

Die Halogengewinnung sei am Beispiel des Chlors verdeutlicht. Nach Neutralisation des Chlors reagiert dieses mit Wasser, bis zur Entstehung von Chlorgas, das abgepumpt wird, wobei das mit entstandene Wassergas durch einen Kühler geleitet wird, in dem das Wassergas kondensiert und in spezielle Becken abtropft. Das gereinigte Chlorgas wird in einen Kondensor geführt, in dem eine Temperatur bei -50° herrscht. Nach Abkühlung wird das Chlorgas komprimiert und in verflüssigter Form in speziellen Halogenbe hältern 41 gelagert. Hierbei sind pro Kubikmeter Wasser 217 Mol Chlorgas darstellbar, was einer Masse von 15,2 kg entspricht.

Zusätzlich in Fig. 2 sind weitere Gerüste 42 sowie Spannungsver sorgungen 43 für die Elektroden 19, 20 sowie Steuerungseinheiten 44 für den gewonnenen Strom dargestellt.

Bezugszeichenliste

10 Meerwasser
11 Pumpe
12 Meeresspiegel
13 Zuleitung
14 Vorratstank
15 Filter
16 Abflußleitung
17 zweiter Behälter
18 Regelventil
19 Elektrode
20 Elektrode
21 Abflußleitung
22 Abflußkanal
23 Abflußkanal
24 zweite Ionentrennstufe
25 Abflußkanal
26 Abflußkanal
27 Konduktor
28 Konduktor
29 Abführleitung
30 Abführleitung
31 Leitung
32 Leitung
33 Trennvorrichtung
34 Trennvorrichtung
35 Pfeil für Ionenbewegung
36 Pfeil für Ionenbewegung
37 Gitter
38 Gitter
39 Wasserbehälter
40 Metallrektifikation
41 Chlorgasbehälter
42 Gerüste
43 Spannungselektroden
44 Steuerungseinheiten
s₂ Teilstück

Claims

1. Verfahren zur Meerwasserentsalzung und zur Gewinnung von Energie und der im Meerwasser enthaltenen Rohstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Stufe die im Meerwasser dissoziierten Ionen in einem elektrostatischen Feld derart abgelenkt wer den, daß Anionen und Kathionen in wäßriger Lösung jeweils durch getrennte Leitungen abgeführt und in einer weiteren Stufe die abgeführten wäßrigen Ionenströme jeweils an Kon duktoren vorbeigeführt, dort entladen und in eine Trennstufe geleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anionen einerseits und die Kathionen andererseits jeweils in getrennten geerdeten Leitungen aus der ersten Stufe abge führt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zweiten Stufe die Erdung auf einem Leitungs teilstück unterbrochen ist und die Leitungen in einem sol chen Abstand parallel zueinander geführt werden, bei dem sich durch die Coulomb′sche Anziehungskraft die Ionen in den Leitungen weitestmöglich nähern und daß das deionisierte Wasser durch eine Leitungsgabelung abgeführt und nur das Ionen in höherer Konzentration enthaltene Wasser zu den Kon duktoren geleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß in der ersten Stufe deionisiertes Wasser, vor zugsweise bis zu 20 Gew.-% getrennt von dem Ionen enthalte nen Wasser abgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß in der zweiten Stufe 95 bis 97 Gew.-% deioni siertes Wasser abgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß in der ersten Stufe ein möglichst großes elek trostatisches Feld angelegt wird, vorzugsweise durch eine Spannung zwischen 200 und 500 kV.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fließgeschwindigkeit der jeweils getrenn ten Ionenströme zwischen 3 bis 7 m/sec liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß das Meerwasser vor der ersten Stufe in einen Vorratsbehälter gepumpt und der Meerwasserfluß allein durch Verbrauch der dabei gewonnenen potentiellen Energie auf rechterhalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Meerwasser in der ersten Stufe von unten in ein mit im we sentlichen vertikalen flächenartigen Elektroden ausgestatte ten Raum derart eingeleitet wird, daß die Ionen durch das zwischen den Elektroden herrschende elektrostatische Feld jeweils in Richtung der Elektroden abgelenkt werden, aber durch den in die abführenden Leitungen gerichteten Strö mungsfluß mitgerissen werden, bevor sie die Elektroden erreichen und daß der deionisierte Teil des Wasser oberhalb der Elektroden abgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Elektroden der ersten Stufe mit einem Di elektrikum überzogen sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fließgeschwindigkeit des Ionen enthaltenen Wassers in der zweiten Stufe durch Leitungsquerschnittsver größerung verlangsamt wird, vorzugsweise auf 40 bis 60% der vorherigen Geschwindigkeit.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß das Meerwasser vor Einleitung in die erste Stufe von Festkörpern, organischen Lebewesen, Pflanzen, Kol loiden mechanisch gereinigt bzw. gefiltert wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die nach Ladungsabgabe an den Konduktor neu tralen Metalle in wäßriger Lösung in ein Reaktionsgefäß ge leitet werden, woraus der entstehende flüchtige Wasserstoff abgezogen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff in einem Kondensor gereinigt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die bei der Reaktion der neutralen Metalle mit Wasser entstehende Wärme abgeführt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch ge kennzeichnet, daß die bei der Reaktion entstehenden Laugen als unterschiedliche schwere Fraktionen getrennt werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch ge kennzeichnet, daß die Erdalkalimetalle, insbesondere Magne sium und Calzium durch Erhitzung der Basen zu Metalloxiden überführt und anschließend unter Wasserstoffzufuhr und Was serabführung zu Erdalkalimetallen reduziert werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdalkalimetalle, insbesondere Magnesium und Calzium durch stufenweises Erhitzen über die jeweiligen Schmelzpunkte von den übrigen Metallen getrennt werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekenn zeichnet, daß das neutralisierte Chlor in ein Reaktionsgefäß geleitet wird, woraus das entstehende Chlorgas gezogen wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Chlorgas über einen Kühler zur Reinigung von Wasser geleitet wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das gereinigte Chlorgas in einem Kondensor bis auf - 50°C ge kühlt und anschließend komprimiert wird.

22. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 21, gekennzeichnet durch folgende, jeweils nachgeord nete Teile:

a) einen Vorratstank (14), der mit mindestens einer in einer unter dem Wasserspiegel (12) endenden Zuleitung (15) an geordneten Pumpe (11) und einer mit einem regel- oder steuerbaren Ventil (18) ausgestatteten, in einen zweiten Behälter (17) mündenden ersten Abflußleitung (16),
b) dem zweiten Behälter (17) mit einem im wesentlichen ver tikal angeordneten Elektrodenpaar (19, 20) zur Bildung eines elektrostatischen Feldes, der im Boden oder Boden bereich mit der oder den ersten Abflußleitungen (16) ver bunden ist und der unterhalb der Elektroden (19, 20) je weils zwei Abflußkanäle (22, 25; 23, 26) und oberhalb der Elektroden (19, 20) eine weitere Abflußleitung (21) auf weist,
c) jeweiligen Konduktoren (27, 28) hinter den Abflußkanälen (25, 26) und
d) einer chemischen Trennvorrichtung (33, 34) zur Gewinnung von Wasserstoff, Alkalilaugen, Erdalkalimetallen und Chlorgas.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Abflußkanäle (22, 25; 23, 26) geerdet sind.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeich net, daß die Erdung der Abflußkanäle (22, 25; 23, 26) auf einem Teilstück (s ₂) unterbrochen ist und die Abflußkanäle (22, 25; 23, 26) in diesem Bereich (24) auf einen Abstand zwi schen 2,5 und 3 m parallel geführt werden und von den Ab flußkanälen (22, 25; 23, 26) in diesem Bereich jeweils eine weitere Abführleitung (29, 30) abzweigt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflußkanäle (22, 25; 23, 26) vor und hinter dem Teilstück einen Mindestabstand von 3 m haben.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abflußkanäle (22, 25; 23, 26) vor dem Teilstück einen Durchmesser von 8 bis 12 cm, in dem Teil stück einen aufgeweiteten Durchmesser, vorzugsweise auf den 1,3- bis 2-fachen Querschnitt, und hinter den abzweigenden Abführleitungen (29, 30) einen demgegenüber nur 3 bis 5% großen Querschnitt aufweisen.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch ge kennzeichnet, daß der Vorratstank (14), der zweite Behälter (17), die Elektroden (19, 20), die Abflußkanäle und/oder die Abflußrohre (13, 16, 21, 22, 23, 25, 26, 29, 30) mit Kunststoff, vorzugsweise PVC, ausgekleidet sind.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch ge kennzeichnet, daß die sich gegenüberliegenden Elektroden (19, 20) als Wandungen des zweiten Behälters (17) ausgebildet sind und daß dieser im wesentlichen einen prismatischen Auf bau mit einer unten angeordneten Basis besitzt.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch ge kennzeichnet, daß die Elektroden (19, 20) im unteren Bereich (Abflußbereich) nach außen abgebogen sind.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch ge kennzeichnet, daß im oberen Bereich des zweiten Behälters (17) eine mindestens 8 cm im Durchmesser große erste Abfluß leitung (21) angeordnet ist.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 30, dadurch ge kennzeichnet, daß der Vorratstank (14) mehrere Filter (15) und/oder Schlammablagerungsbecken aufweist.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 31, dadurch ge kennzeichnet, daß die Trennvorrichtung (33, 34) aus mehreren Reaktionsbehältern, Abscheidebehältern und Auffangbehältern (39 bis 41) besteht.