Пробивът в обратната осмоза може да доведе до най-енергийно ефективно обезсоляване на морска вода някога

(Nanowerk News) Правенето на прясна вода от морската вода обикновено изисква огромни количества енергия. Най-широко разпространеният процес за обезсоляване се нарича обратна осмоза, който работи чрез изтичане на морска вода през мембрана при високо налягане за отстраняване на минералите.

Сега инженерите от университета Пърдю са разработили вариант на процеса, наречен „периодична обратна осмоза“, който обещава по-добра енергийна ефективност, по-дълготрайно оборудване и способност за обработка на вода с много по-висока соленост. Това може да доведе до разлика в сигурността на водите по целия свят.

Обратната осмоза се използва в много страни; в сухи места като Близкия изток, повече от половината запаси от прясна питейна вода идват от обезсоляващи съоръжения. Но за да се поддържа високото ниво на налягане, необходимо за процеса - до 70 пъти атмосферното налягане - инсталацията за обезсоляване трябва да използва голям брой помпи и друго оборудване. И това използва много енергия.

„Около една трета от цената през целия живот на инсталацията за обезсоляване е енергия“, казва Дейвид Варсингер, асистент по машинно инженерство в Пърду. „Дори малките подобрения в процеса - няколко процентни пункта разлика - могат да спестят стотици милиони долари и да помогнат за предотвратяване на CO2 извън атмосферата.“

По време на докторската си работа в Масачузетския технологичен институт, Warsinger за първи път развива идеята за „партидна обратна осмоза“. Вместо да поддържа постоянен приток на морска вода при тези високи нива на налягане, периодичният процес поема едновременно определено количество вода; обработва го; разрежда го; и след това повтаря процеса със следващата партида.

"Всяка партида работи за около една до две минути", каза Варсингер. „Нарастваме налягането с течение на времето, намаляваме обема с течение на времето и в крайна сметка използваме много по-малко енергия, за да произведем същото количество прясна вода.“

Аспирантите Абхиманю Дас (вляво) и Акшай Рао регулират бутален резервоар, ключов компонент за нов процес на обезсоляване, наречен „двойнодействаща партидна обратна осмоза“. (Изображение: Джаред Пайк, Университет Пърдю)

Въпреки че някои инсталации за обезсоляване са се опитвали да използват техники на полупартида, никой никога не е прилагал пълна партидна система - отчасти поради прекъсванията във времето между партидите.

„Отнема време и енергия, за да се изпомпва всяка партида вода и след това да се изпомпва следващата партида вода за преработка“, каза Warsinger. „Изразходването на това време и енергия обикновено отменя повишената ефективност, която бихте получили от използването на партидния процес. Ето защо разработихме решение, наречено „двойнодействаща партидна обратна осмоза.“

Бутало с двойно натоварване

Този нов процес използва бутален резервоар - съд с високо налягане с бутало в средата. Докато едната страна на буталото изпраща морска вода напред в цикъла за обработка, другата страна на буталото едновременно се запълва със следващата партида морска вода в опашката. Когато един партиден процес приключи, буталото безпроблемно инжектира следващата партида морска вода в системата, като едновременно запълва другата си страна със следващата партида морска вода в опашката и процесът се повтаря непрекъснато.

"Вместо да изпразваме буталото всеки път или да използваме друга течност или газ за налягане на буталото, ние го пълним със следващата порция морска вода", каза Варсингер. „Така че вместо едната страна на буталото да е по същество мъртво пространство, ние използваме самата морска вода, за да извадим двойно задължение от това бутало, така че почти няма престой.

„Според нашите модели тази предложена система предлага най-ниската консумация на енергия за обезсоляване на морска вода. Това е най-добрият в класа етап. “

Техните изследвания са публикувани вОбезсоляване (GG quot; Двойно действаща партидна конфигурация за обратна осмоза за най-добра в класа ефективност и нисък престой на").

„Престоите наистина са нещо, което искате да избягвате“, каза Сандра Кордоба, студентка по машинно инженерство в Пърдю и първи автор на статията. „Ако трябва да обслужвате системата след всеки цикъл, вие губите цялата си енергийна ефективност. Намаляването или премахването на този престой е ключовото нещо, което прави възможна партидната обратна осмоза. "

Кордоба също така разработи теоретичните хидравлични модели, използвани в статията.

„Обратната осмоза е сложен процес“, каза Кордова. „За да прецените успеха му, трябва да проследите много променливи: налягане на водата, обем, соленост, съотношение на възстановяване, време и енергия. С тези модели успяхме да определим правилното количество налягане с течение на времето, за да постигнем най-добри резултати, като използваме минималното количество енергия. "

Колко голям е буталният резервоар? Това зависи от размера на системата.

„Обратната осмоза действа на широк спектър от скали“, каза Варсингер. „Домакинствата в Индия често имат система за обратна осмоза за собствен дом, където можете да я държите в ръцете си. За нашите експерименти сме създали моделна система, при която буталният резервоар е с размерите на пожарогасител. В пълномащабен завод той може да бъде дълъг сто фута. Но красотата на това е, че не е сложно оборудване; това е по същество тръба, с водонепропускливо бутало в средата. Но този бутален резервоар променя всичко. "

Лабораторията на Warsinger използва тази двойно действаща партидна разработка, за да подхрани няколко нови постижения в обезсоляването. Абхиманю Дас, доктор по Purdue студент по машиностроене, публикува изследване, описващо вариант на процеса, наречен „партидна обратна осмоза на противотока“. Чрез рециркулация на определени концентрации на вода от двете страни на мембраната, процесът Das се оказва най-енергийно ефективният процес на обезсоляване на вода с висока соленост, като същевременно изисква по-малко компоненти. А студентът от магистърската програма Purdue Майкъл Рогенбург публикува изследване, което показва, че комбинация от периодична обратна осмоза и възобновяема енергия би могла да достави прясна вода до цялата 1 954 мили граница между САЩ и Мексико.

„Сигурността на водата е огромен проблем по целия свят, върху който съм прекарал цялата си кариера, работейки“, каза Варсингер. „Тези резултати с партидна обратна осмоза са наистина вълнуващи. Ако намалим само малко разходите, тогава обезсоляването става жизнеспособна опция за повече места. Може да бъде трансформиращо. "