Uusiutuvaa energiaa ajatellen tulee heti mieleen tuulen, auringon, vuoroveden ja vuoroveden energia ja niitä muuntavat laitteet ovat tuulivoimalat, aurinkosähkömuuntimet, jo tutut vesivoimalat. Kaikkea tätä käytetään jo massiivisesti kaikkialla maailmassa. Mutta uusiutuvien energialähteiden luettelo ei lopu tähän. On olemassa toinenkin energiantuotantotyyppi, joka ei ole vielä yleistynyt, mutta tämä on tulevaisuuden kysymys - tämä on osmoottista energiaa.

Äskettäin tuli tunnetuksi maailman ensimmäisen voimalaitoksen käynnistämisestä Norjassa, jonka avulla voit ottaa energiaa makean ja suolaisen veden suolapitoisuuden eroista. Sähkön tuotanto tapahtuu osmoosiilmiön seurauksena. Asema sijaitsee lähellä Norjan pääkaupunkia Osloa Oslonvuonon rannalla. Rakennussijoittaja oli norjalainen energiayhtiö Statkraft, joka on Skandinavian alueen kolmanneksi suurin energiaresurssien tuottaja sekä Euroopan suurin uusiutuviin energialähteisiin perustuvan energian tuottaja. Tämä uutinen oli syy tämän artikkelin kirjoittamiseen.

Joten mitä on osmoottinen energia?

Osmoottinen energia on energiaa, joka saadaan osmoosin tuloksena tai, kuten voit sanoa, liuottimen diffuusioprosessin tuloksena vähemmän väkevämmästä liuoksesta väkevämpään liuokseen.

Wikipedia.org:n mukaan osmoosiilmiö havaitaan niissä ympäristöissä, joissa liuottimen liikkuvuus on suurempi kuin liuenneiden aineiden liikkuvuus. Tärkeä osmoosin erikoistapaus on osmoosi puoliläpäisevän kalvon läpi. Puoliläpäiseviä kalvoja kutsutaan, joilla ei ole riittävän korkea läpäisevyys kaikille, vaan vain joillekin aineille, erityisesti liuottimelle.

Osmoosilla on tärkeä rooli biologisissa prosesseissa. Hänen ansiostaan ​​ravintoaineet pääsevät soluun ja päinvastoin - tarpeettomat poistetaan. Osmoosin kautta kasvien lehdet imevät kosteutta.

Osmoottisella energialla tarkoitetaan uusiutuvaa energialähdettä, joka toisin kuin aurinko- tai tuulienergia tuottaa ennustettavan ja kestävän määrän energiaa säästä riippumatta. Ja tämä on yksi tämän tekniikan tärkeimmistä eduista.

Miksi osmoosia ei käytetty energiantuotantoon aiemmin, vaan vasta nyt?

Suurin vaikeus on käytettyjen kalvojen tehokkuus ja hinta. Tämä on kompastuskivi. Sähköä tuotetaan generaattoreissa, joihin syötetään suolavettä säiliöistä, joissa sekoitetaan makeaa ja suolaista vettä. Mitä nopeampi sekoitusprosessi, sitä nopeammin vesi syötetään turbiineihin, sitä enemmän energiaa voidaan saada.

Ajatus energian tuottamisesta osmoosilla syntyi viime vuosisadan 70-luvulla. Mutta silloin kalvot eivät vieläkään olleet tarpeeksi tehokkaita, kuten ne ovat nykyään.

Osmoottinen voimalaitos Norjassa

Rakennetussa kokeellisessa voimalaitoksessa hyödynnetään makean ja suolaisen veden suolapitoisuuden eroa. Meri- ja jokivesi lähetetään kammioon, joka on erotettu kalvolla. Osmoosiilmiön vuoksi molekyylit pyrkivät siirtymään kammion alueelle, jossa liuenneiden aineiden, tässä tapauksessa suolan, pitoisuus on korkeampi. Tämä prosessi johtaa suolavesiosaston tilavuuden kasvuun. Tuloksena muodostuu kohonnut paine, joka luo paineen, joka vastaa 120 metriä korkean vesipatsaan törmäystä. Tämä paine lähetetään turbiiniin, joka pyörittää generaattoria.

Rakennetussa voimalaitoksessa käytetään kalvoa, jonka hyötysuhde on 2-3 W/m2. Siksi päätehtävänä on löytää tehokkaampia kalvoja. Tutkijoiden mukaan, jotta osmoottisen energian käyttö olisi hyödyllistä, on välttämätöntä saavuttaa yli 5 wattia/m2 kalvon hyötysuhde.

Nyt asema ei tuota paljon energiaa - 4 kW. Jatkossa kapasiteettia on tarkoitus lisätä jatkuvasti. Ststkraft suunnittelee saavansa aseman omavaraiselle tasolle vuoteen 2015 mennessä.

Haittoja ovat se, että tällaista voimalaitosta ei ole mahdollista rakentaa kaikkialle. Loppujen lopuksi tämä vaatii samanaikaisesti kahta veden lähdettä - tuoretta ja suolaista. Siksi rakentaminen on mahdotonta mantereen syvyyksissä, mutta vain rannikoilla lähellä suolaisen veden lähdettä. Jatkossa on tarkoitus luoda kalvoja, jotka hyödyntävät vain meriveden suolapitoisuuden eroa.

Toinen haittapuoli on aseman tehokkuus, joka liittyy ensisijaisesti käytettyjen kalvojen tehokkuuteen.

Aseman tehtävänä on pääasiassa tutkia ja kehittää teknologioita kaupallisiin sovelluksiin tulevaisuudessa. Tämä on ehdottomasti askel eteenpäin. Onhan osmoottisen energian maailmanlaajuinen potentiaali Statkraftin mukaan arviolta 1600-1700 TWh energiaa vuodessa, mikä vastaa 50 prosenttia Euroopan unionin kokonaisenergiantuotannosta.

Toistaiseksi maailmassa on vain yksi toimiva prototyyppi osmoottisesta voimalaitoksesta. Mutta tulevaisuudessa niitä tulee olemaan satoja.

Osmoottisen voimalaitoksen toimintaperiaate

Voimalaitoksen toiminta perustuu osmoottiseen vaikutukseen, joka on erityisesti suunniteltujen kalvojen ominaisuus päästää vain tietyt hiukkaset läpi. Esimerkiksi asennamme kalvon kahden astian väliin ja kaadamme tislattua vettä toiseen ja suolaliuosta toiseen. Vesimolekyylit kulkevat vapaasti kalvon läpi, mutta suolahiukkaset eivät. Ja koska tällaisessa tilanteessa nesteet pyrkivät tasapainottamaan, pian makea vesi leviää painovoiman vaikutuksesta molempiin astioihin.

Jos ero liuosten koostumuksissa tehdään erittäin suureksi, nestevirtaus kalvon läpi on melko voimakasta. Asettamalla vesiturbiini sen tielle on mahdollista tuottaa sähköä. Tämä on osmoottisen voimalaitoksen yksinkertaisin rakenne. Tällä hetkellä optimaalinen raaka-aine sille on suolainen merivesi ja makea jokivesi - uusiutuvat energialähteet.

Tämäntyyppinen kokeellinen voimalaitos rakennettiin vuonna 2009 Norjan Oslon kaupungin lähelle. Sen suorituskyky on alhainen - 4 kW tai 1 W 1 neliömetriltä. kalvot. Lähitulevaisuudessa tämä indikaattori nostetaan 5 W:iin 1 neliömetriä kohti. Vuoteen 2015 mennessä norjalaiset aikovat rakentaa kaupallisen osmoosivoimalaitoksen, jonka teho on noin 25 MW.

Tämän energialähteen käytön näkymät

IPS:n tärkein etu muihin voimalaitoksiin verrattuna on sen erittäin halpojen raaka-aineiden käyttö. Itse asiassa se on ilmainen, koska 92-93% planeetan pinnasta on suolaisen veden peitossa ja makeaa vettä on helppo saada samalla osmoottisella paineella toisessa asennuksessa. Asentamalla voimalaitos mereen laskevan joen suulle, kaikki raaka-aineiden saantiin liittyvät ongelmat voidaan ratkaista yhdellä iskulla. Ilmasto-olosuhteet IPS:n toiminnalle eivät ole tärkeitä - niin kauan kuin vesi virtaa, asennus toimii.

Samaan aikaan ei synny myrkyllisiä aineita - ulostulossa muodostuu sama suolavesi. ECO on ehdottoman ympäristöystävällinen, se voidaan asentaa asuinalueiden läheisyyteen. Voimalaitos ei vahingoita luontoa, eikä sen rakentamista varten tarvitse tukkia jokia padoilla, kuten vesivoimaloissa. Ja voimalaitoksen alhainen hyötysuhde kompensoituu helposti tällaisten laitosten massaluonteella.

Osmoosi-ilmiötä on käytetty teollisessa mittakaavassa yli 40 vuoden ajan. Vain tämä ei ole Abbé Nollen klassinen suora osmoosi, vaan niin kutsuttu käänteisosmoosi - keinotekoinen prosessi, jossa liuotinta tunkeutuu tiivisteestä laimeaan liuokseen luonnollisen osmoottisen paineen ylittävän paineen vaikutuksesta. Tätä tekniikkaa on käytetty suolanpoisto- ja puhdistuslaitoksissa 1970-luvun alusta lähtien. Suolainen merivesi ruiskutetaan erityiselle kalvolle, ja sen huokosten läpi kulkeutuessaan siitä poistetaan merkittävä osa mineraalisuoloja ja samalla bakteereja ja jopa viruksia. Suolaisen tai saastuneen veden pumppaaminen vaatii paljon energiaa, mutta peli on kynttilän arvoinen - planeetalla on monia alueita, joilla juomaveden puute on akuutti ongelma.

On vaikea uskoa, että kahden liuoksen pitoisuuksien ero voi yksin aiheuttaa vakavan voiman, mutta se on totta: osmoottinen paine voi nostaa meriveden korkeutta 120 m.

Eri tieteelliset ryhmät ja yritykset ovat tehneet kokeita osmoottisen paineen muuntamiseksi sähköenergiaksi 1970-luvun alusta lähtien. Tämän prosessin periaatekaavio oli ilmeinen: kalvon huokosten läpi tunkeutuva makean (joen) veden virtaus lisää painetta merivesisäiliössä, mikä mahdollistaa turbiinin pyörimisen. Murtovesi heitetään sitten mereen. Ainoa ongelma oli, että perinteiset kalvot PRO:lle (Pressure retarded osmosis) olivat liian kalliita, oikeita eivätkä tarjonneet tarvittavaa virtaustehoa. Asiat lähtivät liikkeelle 1980-luvun lopulla, kun norjalaiset kemistit Thorleif Holt ja Thor Thorsen SINTEF-instituutista ottivat tehtävän.

Kaavamaisissa kuvissa osmoottinen kalvo piirretään seinäksi. Itse asiassa se on rulla, joka on suljettu sylinterimäiseen runkoon. Sen monikerroksisessa rakenteessa makean ja suolaisen veden kerrokset vuorottelevat.

Loeb-kalvot vaativat kliinistä laatua huippusuorituskyvyn ylläpitämiseksi. Suolanpoistoaseman kalvomoduulin suunnittelu edellytti ensisijaisen karkean suodattimen ja tehokkaan pumpun pakollista läsnäoloa, joka pudotti roskat kalvon työpinnalta.

Holt ja Thorsen, analysoituaan lupaavimpien materiaalien ominaisuudet, valitsivat edullisen muunnetun polyeteenin. Heidän julkaisunsa tieteellisissä aikakauslehdissä kiinnittivät Statcraftin huomion ja norjalaiset kemistit kutsuttiin jatkamaan työtään energiayhtiön alaisuudessa. Vuonna 2001 Statcraft-kalvoohjelma sai valtion avustuksen. Saaduilla varoilla rakennettiin Sunndalsioriin kokeellinen osmoottinen yksikkö testaamaan kalvonäytteitä ja testaamaan teknologiaa kokonaisuutena. Sen aktiivinen pinta-ala oli hieman yli 200 m2.

Makean ja meriveden suolaisuuden (tieteellisesti suolaisuusgradientin) välinen ero on osmoottisen voimalaitoksen toiminnan perusperiaate. Mitä suurempi se on, sitä suurempi on kalvon tilavuus ja virtausnopeus ja siten vesiturbiinin tuottaman energian määrä. Toftissa makea vesi virtaa painovoiman avulla kalvolle, osmoosin seurauksena meriveden paine toisella puolella kasvaa dramaattisesti. Osmoosin voima on valtava - paine voi nostaa meriveden tasoa 120 metriä.

Lisäksi tuloksena oleva laimennettu merivesi syöksyy paineenjakajan kautta turbiinin siipille ja heitetään niille kaiken energiansa jälkeen mereen. Paineenjakaja ottaa osan virtausenergiasta pyörittämällä merivettä pumppaavia pumppuja. Siten on mahdollista lisätä merkittävästi aseman tehokkuutta. Tällaisia ​​laitteita suolanpoistolaitoksiin valmistavan Energy Recoveryn pääteknologi Rick Stover arvioi jakelijoiden energiansiirtotehokkuuden olevan lähes 98 %. Täsmälleen samat laitteet suolanpoiston aikana auttavat toimittamaan juomavettä asuinrakennuksiin.

Kuten Skillhagen huomauttaa, ihannetapauksessa osmoottiset voimalaitokset tulisi yhdistää suolanpoistolaitoksiin - jälkimmäisessä jäännösmeriveden suolapitoisuus on 10 kertaa suurempi kuin luonnollinen taso. Tällaisessa tandemissa energiantuotannon hyötysuhde kasvaa vähintään kaksinkertaiseksi.

Rakennustyöt Toftissa alkoivat syksyllä 2008. Sódra Cellin sellutehtaan tiloista vuokrattiin tyhjillään oleva varasto. Ensimmäiseen kerrokseen järjestettiin verkko- ja kvartsisuodattimien kaskadi joki- ja meriveden puhdistamiseksi ja toiseen kerrokseen konehuone. Saman vuoden joulukuussa suoritettiin kalvomoduulien ja paineenjakelijan nosto ja asennus. Helmikuussa 2009 ryhmä sukeltajia laski kaksi rinnakkaista putkilinjaa lahden pohjalle - makeaa ja merivettä varten.

Meriveden otto tapahtuu Toftissa 35-50 metrin syvyyksistä - tässä kerroksessa sen suolapitoisuus on optimaalinen. Lisäksi siellä se on paljon puhtaampaa kuin pinnalla. Mutta tästä huolimatta aseman kalvot vaativat säännöllistä puhdistusta orgaanisista jäämistä, jotka tukkivat mikrohuokosia.

Huhtikuusta 2009 lähtien voimalaitos on ollut koekäytössä, ja marraskuussa se otettiin käyttöön prinsessa Mette-Maritin kevyellä kädellä. Skillhagen vakuuttaa, että Toften jälkeen Statcraftilla on muita samanlaisia, mutta edistyneempiä projekteja. Eikä vain Norjassa. Hänen mukaansa jalkapallokentän kokoinen maanalainen kompleksi pystyy toimittamaan jatkuvasti sähköä koko 15 000 yksittäisen kodin kaupunkiin. Lisäksi, toisin kuin tuulimyllyt, tällainen osmoottinen asennus on käytännössä äänetön, ei muuta tavanomaista maisemaa eikä vaikuta ihmisten terveyteen. Ja luonto itse huolehtii suolan ja makean veden reservien täydentämisestä.

Otsikossa ei ole virhettä, ei "avaruudesta", vaan "osmoosista"

Joka päivä olemme vakuuttuneita siitä, että meitä ympäröi massa odottamattomimpia uusiutuvan energian lähteitä. Auringon, tuulen, virtausten ja vuorovesien lisäksi sähkön tuottamiseen voidaan käyttää suolalla toimivia generaattoreita - tai pikemminkin sen tuottaman eron perusteella makean ja meriveden välillä. Tätä eroa kutsutaan suolaisuusgradientiksi, ja osmoosiilmiön ansiosta sillä voidaan saada aikaan ylimääräinen nestepaine, joka muunnetaan sähköksi tavanomaisilla turbiineilla.

On olemassa useita tapoja muuntaa suolaisuusgradientin energia sähköksi. Tänä päivänä lupaavin on osmoosiavusteinen konversio, joten suolaisuusgradientin energiaa kutsutaan usein osmoosienergiaksi. Mutta muutkin tavat muuntaa suolaisuusgradientin energiaa ovat pohjimmiltaan mahdollisia.

Osmoosi-ilmiö on seuraava. Jos otat puoliläpäisevän kalvon (kalvon) ja asetat sen väliseinään astiaan makean ja suolaisen veden väliin, sitten osmoottiset voimat alkavat ikään kuin pumpata makeaa vettä suolaveteen. Makeavesimolekyylit kulkevat erotuskalvon läpi suolavedellä täytettyyn astian toiseen puoliskoon, eikä kalvo päästä suolamolekyylejä makean veden ensimmäiseen puoliskoon. Tämän ominaisuuden vuoksi kalvoa kutsutaan puoliläpäiseväksi. Tämän prosessin aikana vapautuva energia ilmenee kohonneen paineen muodossa, joka esiintyy astian osassa, jossa on suolavettä. Tämä on osmoottinen paine (kutsutaan joskus osmoottiseksi vesiputoukseksi). Osmoottisen paineen maksimiarvo on liuoksen (eli suolaisen veden) ja liuottimen (ts. makean veden) välinen paine-ero, jossa osmoosi pysähtyy, mikä johtuu paineen tasa-arvon muodostumisesta puoliläpäisevän kalvon molemmille puolille. Tästä johtuva kohonnut paine puolessa suolavettä sisältävästä astiasta tasapainottaa osmoottisia voimia, jotka pakottivat makean veden molekyylit puoliläpäisevän kalvon läpi suolaveteen.

Osmoosi-ilmiö on ollut tiedossa pitkään. Sen havaitsi ensimmäisenä A. Podlo vuonna 1748, mutta yksityiskohtainen tutkimus alkoi yli vuosisataa myöhemmin. Vuonna 1877 W. Pfeffer mittasi osmoottisen paineen ensimmäistä kertaa tutkiessaan ruokosokerin vesiliuoksia. Vuonna 1887 van't Hoff vahvisti Pfefferin kokeiden perusteella lain, joka määrittää osmoottisen paineen liuenneen aineen pitoisuudesta ja lämpötilasta riippuen. Hän osoitti, että liuoksen osmoottinen paine on numeerisesti yhtä suuri kuin paine, jonka liuenneen aineen molekyylit aiheuttaisivat, jos ne olisivat kaasumaisessa tilassa samoilla lämpötila- ja pitoisuuksilla.

Osmoottisen energian saamiseksi on oltava lähde, jonka suolapitoisuus on alhainen, lähellä enemmän tai vähemmän väkevää liuosta. Maailman valtameren olosuhteissa tällaisia ​​lähteitä ovat siihen virtaavien jokien suut.

Osmoottisesta paineesta laskettu suolaisuusgradienttienergia ei ole Carnotin sykliin liittyvien tehokkuusrajoitusten alainen; tämä on yksi tämäntyyppisen energian positiivisista piirteistä. Kysymys kuuluu, kuinka se parhaiten muuntaa sähköksi.

Maailman ensimmäinen osmoosilla sähköä tuottava voimalaitos avattiin hiljattain Norjassa. Voimalaitoksen nykyinen prototyyppi, joka käyttää työssään vain suolaa ja makeaa vettä, tuottaa 2-4 kilowattia, mutta tulevaisuudessa tämä määrä kasvaa merkittävästi.Norjalaisen Statkraftin rakentama asema käyttää energian tuottamiseen Osmoosi-ilmiö, eli liuosten liikkuminen kalvon läpi puolelle korkeampaa suolapitoisuutta. Koska suolojen pitoisuus tavallisessa merivedessä on korkeampi kuin makeassa vedessä, syntyy kalvolla erotetun makean ja suolaisen veden välille osmoosiilmiö, ja vesivirran liike saa turbiinin tuottamaan energiaa toimimaan. jo lanseerattu prototyyppi on pieni ja kooltaan kahdesta neljään kilowattituntia. Kuten Steinin projektipäällikkö Eric Skilhagen selitti, yrityksellä ei ollut tavoitetta rakentaa välittömästi teollisen mittakaavan voimalaitosta, vaan tärkeämpää oli osoittaa, että tätä teknologiaa voidaan periaatteessa käyttää energia-alalla. , Statkraftin verkkosivuilla todetaan. Insinöörien laskelmien mukaan nykyään on mahdollista rakentaa osmoottinen voimalaitos, jonka kapasiteetti on 1700 kilowattia tunnissa. Samaan aikaan, toisin kuin muilla vaihtoehtoisilla energialähteillä - aurinko- tai tuulivoimalla - olevilla asemilla, säällä ei ole vaikutusta aseman toimintaan. Olemassa olevan prototyypin teho riittää toimittamaan sähköä vain kahvinkeittimeen, mutta vuoteen 2015 mennessä Statkraft toivoo rakentavansa voimalaitoksen, joka toimittaa sähköä 10 000 yksityiskodin kylään.

Edessä olevien haasteiden joukossa on energiatehokkaampien kalvojen etsiminen. Niille, joita käytetään Hurumin asemalla, joka sijaitsee 60 km Oslosta etelään, tämä luku on 1 W / m2. Jonkin ajan kuluttua Statkraft lisää tehoa 2-3 wattiin, mutta saavuttaaksesi kustannustehokkaan tason, sinun on saavutettava 5 wattia.

Osmoosi (kreikan sanasta Osmos - työntö, paine), aineen, yleensä liuottimen, diffuusio puoliläpäisevän kalvon läpi, joka erottaa liuoksen ja puhtaan liuottimen tai kaksi eri pitoisuutta omaavaa liuosta. Puoliläpäisevä kalvo - osio, joka sallii pienten liuottimen molekyylien kulkemisen, mutta on läpäisemätön suurille liuenneen aineen molekyyleille. Osmoosiilmiö (puoliläpäisevän kalvon erottamien liuospitoisuuksien tasaaminen) on kaikkien elävien organismien aineenvaihdunnan taustalla. Esimerkiksi kasvien, eläinten ja ihmisten soluseinät ovat luonnollinen kalvo, joka on osittain läpäisevä, koska se päästää vapaasti vesimolekyylien läpi, mutta ei muiden aineiden molekyylejä. Kun kasvien juuret imevät vettä, niiden soluseinämät muodostavat luonnollisen osmoottisen kalvon, jonka kautta vesimolekyylit pääsevät läpi ja useimmat epäpuhtaudet hylätään. Yrtit ja kukat pysyvät pystyssä vain ns. osmoottisen paineen ansiosta. Siksi veden puutteessa ne näyttävät kuihtuneilta ja letargisilta. Luonnollisen kalvon suodatuskyky on ainutlaatuinen, se erottaa aineet vedestä molekyylitasolla ja tämä mahdollistaa minkä tahansa elävän organismin olemassaolon.

Kalvojen käyttö liuoksen yhden komponentin erottamiseen toisesta on ollut tunnettua hyvin kauan. Ensimmäisessä Aristoteles havaitsi, että merivedestä tulee suolatonta, kun se johdetaan vahaastian seinien läpi. Tämän ilmiön ja muiden kalvoprosessien tutkiminen alkoi paljon myöhemmin, 1700-luvun alussa, kun Réaumur käytti luonnollista alkuperää olevia puoliläpäiseviä kalvoja tieteellisiin tarkoituksiin. Mutta viime vuosisadan 20-luvun puoliväliin mennessä kaikki nämä prosessit olivat puhtaasti teoreettisia, eivätkä ylittäneet laboratorioita. Vuonna 1927 saksalainen yhtiö "Sartorius" sai ensimmäiset näytteet keinotekoisista kalvoista. Ja vasta viime vuosisadan puolivälissä amerikkalaiset kehittäjät aloittivat selluloosa-asetaatin ja nitroselluloosakalvojen tuotannon. 1950-luvun lopulla ja 1960-luvun alussa, kun synteettisten polymeerimateriaalien laaja tuotanto alkoi, ilmestyivät ensimmäiset tieteelliset teokset, jotka muodostivat perustan käänteisosmoosin teolliselle sovellukselle.

Ensimmäiset teolliset käänteisosmoosijärjestelmät ilmestyivät vasta 1970-luvun alussa, joten tämä on suhteellisen nuori tekniikka verrattuna samaan ioninvaihtoon tai adsorptioon aktiivihiilellä. Länsimaissa käänteisosmoosista on kuitenkin tullut yksi taloudellisimmista, monipuolisimmista ja luotettavimmista vedenpuhdistusmenetelmistä, jonka avulla voit vähentää komponenttien pitoisuutta vedessä 96-99% ja päästä eroon mikro-organismeista ja viruksista melkein. 100 %. Mekanismi vesimolekyylien siirtämiseksi osmoottisen kalvon läpi on useimmiten tavanomainen suodatus, johon jää huokosmoottisen kalvon halkaisijaa suurempia hiukkasia. Konsentraatioiden tasaaminen tällaisen kalvon molemmilla puolilla on mahdollista vain liuottimen yksisuuntaisella diffuusiolla. Siksi osmoosi muuttuu aina puhtaasta liuottimesta liuokseksi tai laimeasta liuoksesta väkeväksi liuokseksi. Erityisesti osmoosiilmiö havaitaan, kun kaksi eripitoista suolaliuosta erotetaan toisistaan ​​puoliläpäisevällä kalvolla. Tämä kalvo päästää tietynkokoisten molekyylien ja ionien läpi, mutta toimii esteenä aineille, joilla on suurempia molekyylejä. Siten vesimolekyylit pystyvät tunkeutumaan kalvon läpi, mutta veteen liuenneet suolamolekyylit eivät. Jos puoliläpäisevän kalvon vastakkaisilla puolilla on eri suolapitoisuuksia sisältäviä suolaliuoksia, vesimolekyylit sekoittuvat kalvon läpi heikosti väkevöityneestä liuoksesta väkevämpään, mikä aiheuttaa nestetason nousun jälkimmäisessä. Osmoosiilmiön kautta havaitaan veden tunkeutumisprosessi kalvon läpi, vaikka molemmat liuokset ovat saman ulkoisen paineen alaisia. Kahden eri pitoisuuden omaavan liuoksen tasojen korkeusero on verrannollinen voimaan, jolla vesi kulkee kalvon läpi. Tätä voimaa kutsutaan "osmoottiseksi paineeksi". Päällä Riisi. 23.1. Osmoosi-ilmiötä kuvaava kaavio on annettu.

Riisi. 23.1.

Osmoottisen voimalaitoksen toimintaperiaate perustuu osmoottisen paineen muodostumiseen. Paikoissa, joissa joki virtaa mereen, makea jokivesi yksinkertaisesti sekoittuu suolaiseen meriveteen, eikä ole olemassa painetta, joka voisi toimia energianlähteenä. Kuitenkin, jos merivesi ja makea vesi erotetaan ennen sekoittamista suodattimella - erityisellä kalvolla, joka päästää veden läpi, mutta ei läpäise suolaa, niin termodynaamisen tasapainon ja pitoisuuksien tasaamisen ratkaisujen halu voidaan toteuttaa. vain siksi, että vesi tunkeutuu suolaliuokseen ja suola makeaan veteen ei pääse sisään. Kahden säiliön väliin asetetaan erityinen kalvo, joka päästää veden läpi mutta joka ei läpäise suolamolekyylejä. Toinen niistä on täytetty makealla vedellä, toinen suolavedellä. Koska tällainen järjestelmä pyrkii tasapainottamaan, suolaisempi vesi vetää makean veden ulos säiliöstä. Jos tämä tapahtuu suljetussa säiliössä, ylimääräistä hydrostaattista painetta syntyy meriveden puolelta. Samaan aikaan ilmaantuu paine, joka luo vesivirtauksen. Jos nyt asennamme turbiinin generaattorilla, ylipaine pyörittää turbiinin siivet ja tuottaa sähköä. Riisi. 23.2. Osmoottisen aseman yksinkertaistettu kaavio esitetään. Tässä kuvassa: 1 - merivesi; 2 jokivettä; 3 - suodattimet; 4 - kalvo; 5 - työkammio; 6 - jätevesien tuotanto; 7 - turbiini sähkögeneraattorilla; 8 - lähtö.

Riisi. 23.2.

Teoreettinen kehitys tällä alueella ilmestyi jo 1900-luvun alussa, mutta tärkein asia, joka puuttui niiden toteuttamiseksi, oli sopiva osmoottinen kalvo. Tällaisen kalvon piti kestää 20 kertaa tavanomaisen kotitalousveden paineen paine, ja sen huokoisuus oli erittäin korkea. Samankaltaisten ominaisuuksien omaavien materiaalien luominen on tullut mahdolliseksi synteettisten polymeerien tuotantotekniikoiden kehittämisen myötä. Itse asiassa tehokkaan kalvon paksuus on noin 0,1 mikrometriä. Vertailun vuoksi: ihmisen hiuksen halkaisija on 50-100 mikrometriä. Tämä ohuin kalvo lopulta erottaa meriveden makeasta vedestä. On selvää, että tällainen ohut kalvo ei itsessään kestä suurta osmoottista painetta. Siksi se levitetään huokoiselle sienelle, mutta erittäin kestävälle alustalle. Muuten, suoraa osmoosia varten tarkoitettu kalvo ei ole ohut seinä, joka on piirretty yksinkertaistetuille kaavioille, vaan pitkä rulla, joka on suljettu sylinterimäiseen runkoon. Liitos runkoon on tehty siten, että rullan kaikissa kerroksissa on aina kalvon toisella puolella makeaa vettä ja toisella puolella merivettä, kuten kuvassa näkyy. Riisi. 23.3. Tässä kuvassa: 1 - makea vesi; 2 - merivesi; 3 - kalvo. Päällä Riisi. 23.4. Kuvassa on metallikoteloon sijoitetun kalvon laite, muodoltaan lieriömäinen. Tässä kuvassa: 1 - makea vesi; 2 - merivesi; 3 - kalvo; 4 - metallikotelo. Nykyisin käytetyt komposiittikalvot voivat vähentää merkittävästi hydrodynaamista vastusta. Niissä ohut selektiivinen kerros kerrostetaan kemiallisesti huokoiselle alustalle (substraatille). Selektiivisen kerroksen paksuus on 0,1-1,0 µm ja huokoisen pohjan paksuus 50-150 µm. Substraatti ei käytännössä aiheuta virtausvastusta leveiden huokosten vuoksi, ja selektiivisen kerroksen vastus vähenee merkittävästi sen paksuuden merkittävän pienenemisen vuoksi. Yleensä kalvon komposiittirakenne tarjoaa mekaanisen lujuuden johtuen

Riisi. 23.3.

Riisi. 23.4.

huokoisen substraatin paksuus, ja lisäksi se mahdollistaa kalvon kokonaisresistanssin pienentämisen valikoivan kerroksen ohuuden vuoksi. Käänteisosmoosikalvojen selektiivinen kerros on valmistettu polyamidimateriaalista.

Kuvassa 23.S. osmoottisen aseman laite on esitetty, se käyttää valssattuja kalvoja.

Tässä kuvassa: 1 - meriveden käyttöönotto; 2 - jokiveden lisääminen; 3 - suodattimet; 4 - rullakalvot; 5 - suljettu kammio, jossa on korkea osmoottinen paine; 6- turbiini sähkögeneraattorilla.

Vuonna 2009 Norjan Toftissa aloitti toimintansa maailman ensimmäinen voimalaitos, joka hyödynsi meren ja makean veden suolapitoisuuden eroa sähkön tuottamiseen. Rakennetussa osmoottisessa voimalaitoksessa merivesiosastoon syntyy paine, joka vastaa 120 metriä korkean vesipatsaan painetta. Tämä paine käyttää turbiinin akselia, joka on kytketty sähkögeneraattoriin. Makea vesi virtaa painovoiman vaikutuksesta kalvolle. Meriveden otto suoritetaan Toftissa 35–50 metrin syvyyksistä - tässä kerroksessa sen suolapitoisuus on optimaalinen. Lisäksi siellä se on paljon puhtaampaa kuin pinnalla. Mutta tästä huolimatta aseman kalvot vaativat säännöllistä puhdistusta orgaanisista jäämistä, tukkivat sen mikrohuokoset. Tähän mennessä tämä osmoottinen asema tuottaa noin 1 kW energiaa. Lähitulevaisuudessa tämä luku voi nousta 2-4 kW:iin. Jotta tuotannon kannattavuudesta voidaan puhua, se on välttämätöntä

Riisi. 23.5. Osmoottinen asema valssatuilla kalvoilla

saada noin 5 kW teho. Tämä on kuitenkin erittäin todellinen haaste. Vuoteen 2015 mennessä on tarkoitus rakentaa suuri 25 MW:n laitos, joka toimittaa sähköä 10 000 keskimääräiselle kotitaloudelle. Tulevaisuudessa osmoottisten voimaloiden oletetaan kasvavan niin tehokkaiksi, että ne pystyvät tuottamaan 1700 TW vuodessa, yhtä paljon kuin puolet Euroopasta tuottaa tällä hetkellä.

Osmoottisten asemien edut. Ensinnäkin suolavesi (tavallinen merivesi soveltuu aseman toimintaan) on ehtymätön luonnonvara. Maan pinta on 94 % veden peitossa, josta 97 % on suolaista, joten polttoainetta tällaisille asemille löytyy aina. Toiseksi osmoottisten voimalaitosten rakentaminen ei vaadi erityisten hydraulisten rakenteiden rakentamista. Tämän sähköntuotantomenetelmän ympäristöystävällisyys. Ei jätettä, hapettuneet säiliömateriaalit, haitallisia höyryjä. Osmoottisia voimalaitoksia voidaan asentaa jopa kaupungin sisälle aiheuttamatta vahinkoa sen asukkaille.

Äskettäin Japani ilmoitti, että se aikoo tuottaa energiaa osmoosiasemien avulla. Japania ympäröi joka puolelta valtameri, johon virtaa lukuisia jokia. Koska ne virtaavat jatkuvasti, sähkön tuotantoprosessista tulee jatkuva. Osmoottisen energian saantimenetelmän etujen joukossa on riippumattomuus maastosta, asema pystyy työskentelemään tasangolla. Tärkeimmät niistä ovat maantieteelliset olosuhteet, joissa makean ja suolaisen veden sekoittuminen tapahtuu. Siten on mahdollista asentaa osmoottisia voimalaitoksia mihin tahansa Japanin alueeseen, jossa joet virtaavat mereen. Osmoosilaitos pystyy tuottamaan 5-6 miljoonaa kW energiaa verrattuna 5-6 ydinvoimalaan, sanoo Tokion teknisen yliopiston professori Akihiko Tanioka. Lisäksi Japani on yksi suurimmista osmoottisten kalvojen valmistajista. Nyt japanilaisten yritysten osuus maailmanlaajuisesta kalvotuonnista on 70 prosenttia.