Breakthrough în reverse osmosis poate duce la cele mai eficiente din punct de vedere energetic Seawater Desalination Ever

(Nanowerk Stiri) A face apă dulce din apă de mare necesită, de obicei, cantități uriașe de energie. Cel mai răspândit proces de desalinizare se numește osmoză inversă, care funcționează prin curgerea apei de mare peste o membrană la presiune ridicată pentru a elimina mineralele.

Acum, inginerii De la Universitatea Purdue au dezvoltat o variantă a procesului numită "osmoză inversă de lot", care promite o eficiență energetică mai bună, echipamente de lungă durată și capacitatea de a procesa apa de salinitate mult mai mare. S-ar putea ajunge un factor de diferență în securitatea apei din întreaga lume.

Osmoza inversă este utilizată în multe țări; în locuri aride, ar fi Orientul Mijlociu, mai mult de jumătate din rezervele de apă potabilă proaspătă provin de la instalațiile de desalinizare. Dar pentru a menține nivelul ridicat de presiune necesar pentru proces - de până la 70 de ori presiunea atmosferică - o instalație de desalinizare trebuie să utilizeze un număr mare de pompe și alte echipamente. Și asta folosește multă energie.

"Aproximativ o treime din costul pe viață al unei instalații de desalinizare este energie", a declarat David Warsinger, profesor asistent de inginerie mecanică la Purdue. "Chiar și mici îmbunătățiri ale procesului - câteva puncte procentuale de diferență - pot economisi sute de milioane de dolari și pot ajuta la menținerea CO2 în afara atmosferei."

În timpul lucrărilor sale de doctorat la MIT, Warsinger a dezvoltat pentru prima dată ideea de "osmoză inversă a lotului". În loc să păstreze un flux constant de apă de mare la aceste niveluri de presiune ridicată, un proces de lot preia la un moment dat o cantitate stabilită de apă; îl prelucrează; îl descarcă; și apoi repetă procesul cu următorul lot.

"Fiecare lot rulează timp de aproximativ unul până la două minute", a spus Warsinger. "Creștem presiunea în timp, reducem volumul în timp și ajungem să folosim mult mai puțină energie pentru a produce aceeași cantitate de apă dulce."

Studenții absolvenți Abhimanyu Das (stânga) și Akshay Rao ajustează un rezervor cu piston, componenta cheie a unui nou proces de desalinizare numit "osmoză inversă a lotului cu dublă acțiune". (Imagine: Jared Pike, Universitatea Purdue)                

Deși unele instalații de desalinizare au încercat să utilizeze tehnici de semibatch, nici unul nu a pus în aplicare vreodată un sistem complet lot - parțial din cauza pauzelor de timp între loturi.

"Este nevoie de timp și energie pentru a pompa fiecare lot de apă afară, și apoi pompa următorul lot de apă în pentru prelucrare", a spus Warsinger. "În funcție de faptul că timpul și energia, în general, anulează câștigurile de eficiență v-ar obține de la utilizarea procesului de lot. De aceea am dezvoltat o soluție numită 'osmoză inversă cu dublă acțiune.'"

Piston cu dublă taxă

Acest nou proces utilizează un rezervor cu piston - un vas de înaltă presiune cu un piston în mijloc. În timp ce o parte a pistonului trimite apa de mare înainte în bucla de procesare, cealaltă parte a pistonului se umple simultan cu următorul lot de apă de mare din coadă. Când se termină un proces de lot, pistonul injectează fără probleme următorul lot de apă de mare în sistem, în timp ce își umple simultan cealaltă parte cu următorul lot de apă de mare din coadă, iar procesul se repetă continuu.

"În loc de golirea completă a pistonului de fiecare dată sau folosind un alt lichid sau gaz pentru a presuriza pistonul, îl umplem cu următorul lot de apă de mare", a spus Warsinger. "Deci, mai degrabă decât o parte a pistonului fiind, în esență, spațiu mort, suntem folosind apa de mare în sine pentru a obține dublu-duty din acest piston, astfel încât nu există aproape nici un timp de nefuncționare.

"Conform modelelor noastre, acest sistem propus oferă cel mai mic consum de energie pentru desalinizarea apei de mare. Este o piatră de hotar cea mai bună din clasă."

Cercetarea lor a fost publicată îndesalinizare("Configurație de osmoză inversă a lotului cu dublă acțiune pentru cea mai bună eficiență din clasă și timpi de nefuncționare scăzută ").

"Downtime este într-adevăr ceva ce doriți să evitați", a declarat Sandra Cordoba, un masterand Purdue în inginerie mecanică și primul autor al lucrării. "Dacă trebuie să deserviți sistemul după fiecare ciclu, vă pierdeți toată eficiența energetică. Reducerea sau eliminarea acestui timp de nefuncționare este lucrul cheie care face posibilă osmoza inversă a lotului."

Cordoba a dezvoltat, de asemenea, modelele hidraulice teoretice utilizate în hârtie.

"Osmoza inversă este un proces complex", a spus Cordoba. "Pentru a evalua succesul său, trebuie să urmăriți multe variabile: presiunea apei, volumul, salinitatea, raportul de recuperare, timpul și energia. Cu aceste modele, am reușit să determinăm cantitatea potrivită de presiune în timp pentru a obține cele mai bune rezultate folosind cantitatea minimă de energie."

Cât de mare este rezervorul de piston? Depinde de dimensiunea sistemului.

"Osmoza inversă funcționează pe o gamă largă de scale", a spus Warsinger. "Gospodăriile din India au adesea un sistem de micro osmoză inversă pentru propria lor casă, unde ai putea să-l ții în mâini. Pentru experimentele noastre, am construit un sistem model în care rezervorul cu piston este de mărimea unui extinctor. Într-o plantă la scară largă, ar putea avea 30 de metri lungime. Dar frumusețea este că nu este o piesă complexă de echipament; este, în esență, o țeavă, cu un piston etanș la apă în mijloc. Dar rezervorul cu piston schimbă totul."

Laboratorul lui Warsinger a folosit acest lot cu dublă acțiune pentru a alimenta mai multe noi progrese în desalinizare. Abhimanyu Das, un doctorand Purdue în inginerie mecanică, a publicat cercetări care descriu o variantă a procesului numită "osmoză inversă a contraflowului lotului". Prin recircularea anumitor concentrații de apă de ambele părți ale membranei, procesul das se dovedit a fi cel mai eficient proces de desalinizare din punct de vedere energetic pentru apa cu salinitate ridicată, necesitând în același timp mai puține componente. Și purdue masterand Michael Roggenburg a publicat de cercetare care arată că o combinație de lot invers osmoză și energie regenerabilă ar putea livra, probabil, apă proaspătă la întreaga frontieră 1954-mile între SUA și Mexic.

"Securitatea apei este o problemă uriașă în întreaga lume, pe care mi-am petrecut întreaga carieră de lucru pe", a spus Warsinger. "Aceste rezultate cu osmoză inversă lot sunt foarte interesant. Dacă reducem puțin costurile, atunci desalinizarea devine o opțiune viabilă pentru mai multe locuri. Ar putea fi transformator."