Przełom w odwróconej osmozy może prowadzić do najbardziej energooszczędne odsalanie wody morskiej ever

(Aktualności na temat Nanowerk) Wypływanie świeżej wody z wody morskiej zwykle wymaga ogromnych ilości energii. Najbardziej rozpowszechnionym procesem odsalania jest odwrócona osmoza, która działa poprzez przepływ wody morskiej nad membraną pod wysokim ciśnieniem w celu usunięcia minerałów.

Teraz inżynierowie Purdue University opracowali wariant procesu zwanego "odwróconą osmozą partii", który obiecuje lepszą efektywność energetyczną, trwalsze urządzenia i zdolność do przetwarzania wody o znacznie wyższym zasoleniu. Może to skończyć się różnicą w bezpieczeństwie wody na całym świecie.

Odwrócona osmoza jest stosowana w wielu krajach; w suchych miejscach, takich jak Bliski Wschód, ponad połowa świeżej wody pitnej pochodzi z urządzeń odsalania. Aby jednak utrzymać wysoki poziom ciśnienia wymaganego dla procesu – do 70-krotności ciśnienia atmosferycznego – zakład odsalania musi zatrudniać dużą liczbę pomp i innych urządzeń. A to zużywa dużo energii.

"Około jedna trzecia kosztów życia zakładu odsalania energii", powiedział David Warsinger, purdue adiunkt inżynierii mechanicznej. "Nawet niewielkie ulepszenia procesu - kilka punktów procentowych różnicy - mogą zaoszczędzić setki milionów dolarów i pomóc utrzymać CO2 z atmosfery."

Podczas pracy doktorskiej w MIT, Warsinger po raz pierwszy rozwinął ideę "odwróconej osmozy partii". Zamiast utrzymywać stały przepływ wody morskiej przy tych wysokich poziomach ciśnienia, proces wsadowy przyjmuje określoną ilość wody w tym czasie; przetwarza ją; wyładowuje; a następnie powtarza proces z następną partią.

"Każda partia działa przez około jedną do dwóch minut", powiedział Warsinger. "Zwiększamy ciśnienie w czasie, zmniejszamy objętość w czasie, a w końcu zużywamy znacznie mniej energii do produkcji tej samej ilości świeżej wody."

Absolwenci Abhimanyu Das (po lewej) i Akshay Rao dostosowują zbiornik tłokowy, kluczowy element nowego procesu odsalania o nazwie "podwójnie działająca partia odwróconej osmozy". (Zdjęcie: Jared Pike, Purdue University)                

Chociaż niektóre zakłady odsalania próbowały stosować techniki semibatch, żaden nigdy nie wdrożył pełnego systemu partii - częściowo ze względu na przerwy czasowe między partiami.

"Potrzeba czasu i energii, aby pompować każdą partię wody, a następnie pompować następną partię wody do przetworzenia", powiedział Warsinger. "Wydatkowanie tego czasu i energii zazwyczaj anuluje wzrost wydajności, który można uzyskać z wykorzystaniem procesu wsadowego. Dlatego opracowaliśmy rozwiązanie zwane "podwójnie działającą odwróconą osmozą partii".

Tłok o podwójnej łatce

Ten nowy proces wykorzystuje zbiornik tłoka — zbiornik wysokociśnieniowy z tłokiem w środku. Podczas gdy jedna strona tłoka wysyła wodę morską do przodu do pętli przetwarzania, druga strona tłoka jednocześnie wypełnia się kolejną partią wody morskiej w kolejce. Po zakończeniu jednego procesu partii tłok płynnie wstrzykuje następną partię wody morskiej do systemu, jednocześnie wypełniając drugą stronę następną partią wody morskiej w kolejce, a proces powtarza się w sposób ciągły.

"Zamiast w pełni opróżniania tłoka za każdym razem lub przy użyciu innego płynu lub gazu do ciśnień tłoka, jesteśmy napełniania go z następnej partii wody morskiej," Warsinger powiedział. "Więc zamiast jednej strony tłoka jest zasadniczo martwa przestrzeń, używamy wody morskiej się, aby uzyskać podwójne cło z tego tłoka, więc nie ma prawie żadnych przestojów.

"Według naszych modeli proponowany system oferuje najniższe zużycie energii w historii w przypadku odsalania wody morskiej. To najlepszy w swojej klasie kamień milowy."

Ich badania zostały opublikowane wodsalanie("Podwójnie działająca konfiguracja odwróconej osmozy partii dla najlepszej w swojej klasie wydajności i niskich przestojów").

"Przestoje jest naprawdę coś, czego chcesz uniknąć", powiedziała Sandra Cordoba, purdue mistrz student inżynierii mechanicznej i pierwszy autor pracy. "Jeśli musisz serwisować system po każdym cyklu, tracisz całą swoją efektywność energetyczną. Ograniczenie lub wyeliminowanie przestoju jest kluczową rzeczą, która sprawia, że odwrócona osmoza partii jest wykonalna."

Cordoba opracowała również teoretyczne modele hydrauliczne stosowane w papierze.

"Odwrócona osmoza jest złożonym procesem", powiedział Cordoba. "Aby ocenić jego sukces, musisz śledzić wiele zmiennych: ciśnienie wody, objętość, zasolenie, współczynnik odzysku, czas i energię. Dzięki tym modelom byliśmy w stanie określić odpowiednią ilość ciśnienia w czasie, aby osiągnąć najlepsze wyniki przy użyciu minimalnej ilości energii."

Jak duży jest zbiornik tłoka? To zależy od wielkości systemu.

"Odwrócona osmoza działa na szeroką gamę skal", powiedział Warsinger. "Gospodarstwa domowe w Indiach często mają mikro odwrócony system osmozy dla własnego domu, gdzie można trzymać go w rękach. W naszych eksperymentach zbudowaliśmy system modelowy, w którym zbiornik tłoka jest wielkości gaśnicy. W fabryce na pełną skalę może mieć sto metrów długości. Ale piękno jest to, że nie jest to złożony sprzęt; jest to w zasadzie rura, z wodoszczelnym tłokiem w środku. Ale ten zbiornik tłoka zmienia wszystko."

Laboratorium Warsingera wykorzystało ten dwudziałowy rozwój partii do napędzania kilku nowych osiągnięć w odsalania. Abhimanyu Das, doktorant Purdue w dziedzinie inżynierii mechanicznej, opublikował badania opisujące wariant procesu o nazwie "odwrócona osmoza odwrotna przepływu partii". Dzięki recyrkulacji niektórych stężeń wody po obu stronach membrany, proces Dasa jest najbardziej energooszczędnym procesem odsalania wody o wysokim zasoleniu, wymagając przy tym mniejszej liczby składników. A purdue master's student Michael Roggenburg opublikował badania wykazujące, że połączenie partii odwróconej osmozy i energii odnawialnej może wyobrażać sobie dostarczyć świeżą wodę do całej granicy 1954 mil między USA i Meksykiem.

"Bezpieczeństwo wody jest ogromnym problemem na całym świecie, nad którym spędziłem całą moją karierę pracując", powiedział Warsinger. "Te wyniki z odwróconą osmozą partii są naprawdę ekscytujące. Jeśli obniżymy koszty tylko trochę, to odsalanie staje się realną opcją dla większej liczby miejsc. To może być transformacyjne."