Prielom v reverznej osmóze môže viesť k energeticky najefektívnejšiemu odsoľovaniu morskej vody v histórii

(Nanowerk Novinky) Výroba sladkej vody z morskej vody si zvyčajne vyžaduje obrovské množstvo energie. Najrozšírenejší proces odsoľovania sa nazýva reverzná osmóza, ktorá funguje tak, že prúdi morská voda cez membránu pri vysokom tlaku na odstránenie minerálov.

Inžinieri Purdue University vyvinuli variant procesu nazývaný "dávková reverzná osmóza", ktorý sľubuje lepšiu energetickú účinnosť, dlhodobejšie vybavenie a schopnosť spracovávať vodu s oveľa vyššou slanosťou. Mohlo by to skončiť rozdielom v bezpečnosti vody na celom svete.

Reverzná osmóza sa používa v mnohých krajinách; na suchých miestach, ako je Blízky východ, viac ako polovica dodávok sladkej pitnej vody pochádza zo zariadení na odsoľovanie. Ale na udržanie vysokej úrovne tlaku potrebného pre tento proces – až 70-násobok atmosférického tlaku – musí odsoľovacie zariadenie využívať veľké množstvo čerpadiel a iných zariadení. A to spotrebuje veľa energie.

"Asi tretina celoživotných nákladov odsoľovacieho zariadenia je energia," povedal David Warsinger, asistent profesora strojárstva Purdue. "Aj malé zlepšenia procesu – niekoľko percentuálnych bodov rozdielu – môžu ušetriť stovky miliónov dolárov a pomôcť udržať CO2 mimo atmosféry."

Počas doktorandské práce na MIT, Warsinger najprv vyvinul myšlienku "dávkovej reverznej osmózy." Namiesto udržiavania konštantného prietoku morskej vody pri týchto vysokých hladinách tlaku sa dávkový proces uskutočňuje v stanovenom množstve vody naraz; spracúva ho; vypúšťa ho; a potom zopakuje proces s ďalšou dávkou.

"Každá dávka beží asi jednu až dve minúty," povedal Warsinger. "Postupom času zvyšujeme tlak, znižujeme objem v priebehu času a nakoniec spotrebúme oveľa menej energie na výrobu rovnakého množstva sladkej vody."

Absolventi Abhimanyu Das (vľavo) a Akshay Rao nastavujú piestnu nádrž, kľúčovú zložku nového procesu odsoľovania nazývaného "dvojito pôsobiace dávkové reverzné osmózy". (Obrázok: Jared Pike, Purdue University)                

Hoci sa niektoré odsoľovacie zariadenia pokúsili použiť semibatchové techniky, žiadna z nich nikdy neinovovala celý dávkový systém – čiastočne kvôli časovým prestávkam medzi dávkami.

"Na čerpanie každej šarže vody a potom čerpanie ďalšej dávky vody na spracovanie je potrebné čas a energiu," povedal Warsinger. "Vynaloženie tohto času a energie vo všeobecnosti ruší zvýšenie efektívnosti, ktoré by ste získali používaním dávkového procesu. Preto sme vyvinuli riešenie s názvom "dvojito pôsobiace dávkové reverzné osmózy."

Piest s dvojitým clom

Tento nový proces využíva piestovú nádrž – vysokotlakovú nádobu s piestikom v strede. Zatiaľ čo jedna strana piestu posiela morskú vodu dopredu do spracovateľskej slučky, druhá strana piestu sa súčasne naplní ďalšou dávkou morskej vody vo fronte. Keď jeden dávkový proces skončí, piest bez problémov vstrekne ďalšiu dávku morskej vody do systému a zároveň naplní svoju druhú stranu ďalšou dávkou morskej vody vo fronte a proces sa opakuje nepretržite.

"Namiesto toho, aby sme piest zakaždým úplne vyprázdnili alebo pomocou inej kvapaliny alebo plynu na tlak na piest naplnili, naplníme ho ďalšou dávkou morskej vody," povedal Warsinger. "Takže namiesto toho, aby jedna strana piestu bola v podstate mŕtvym priestorom, využívame samotnú morskú vodu na to, aby sme z tohto piestu dostali dvojitú službu, takže nie sú takmer žiadne prestoje.

"Podľa našich modelov ponúka tento navrhovaný systém najnižšiu spotrebu energie v histórii na odsoľovanie morskej vody. Je to najlepší míľnik vo svojej triede."

Ich výskum bol publikovaný vodsoľovanie("Dvojčinná konfigurácia reverznej osmózy šarže pre najlepšiu účinnosť vo svojej triede a nízke prestoje").

"Prestoje sú naozaj niečo, čoho sa chcete vyhnúť," povedala Sandra Cordoba, študentka purdue magisterského inžinierstva a prvá autorka štúdie. "Ak musíte systém obsluhovať po každom cykle, stratíte všetku svoju energetickú účinnosť. Zníženie alebo odstránenie tohto prestojov je kľúčová vec, ktorá umožňuje zvrátiť osmózu šarže."

Cordoba tiež vyvinula teoretické hydraulické modely používané v papieri.

"Reverzná osmóza je zložitý proces," povedal Cordoba. "Ak chcete zmerať jeho úspech, musíte sledovať mnoho premenných: tlak vody, objem, slanosť, pomer regenerácie, čas a energia. Pomocou týchto modelov sme boli schopní určiť správne množstvo tlaku v priebehu času, aby sme dosiahli najlepšie výsledky s použitím minimálneho množstva energie."

Aká veľká je piestna nádrž? Záleží na veľkosti systému.

"Reverzná osmóza funguje v širokej škále váh," povedal Warsinger. "Domácnosti v Indii majú často mikro reverzný osmózový systém pre svoj vlastný domov, kde by ste ho mohli držať vo svojich rukách. Pre naše experimenty sme vybudovali modelový systém, kde piestna nádrž má veľkosť hasiaceho prístroja. V plnej továrni by to mohlo byť sto stôp dlhé. Ale krása je, že to nie je komplexný kus vybavenia; Je to v podstate potrubie, s vodotesným piestom uprostred. Ale tá piestna nádrž všetko mení."

Warsingerove laboratórium využilo tento dvojčinný vývoj šarže na podporu niekoľkých nových pokrokov v odsoľovaní. Abhimanyu Das, purdue Ph.D. študent strojárstva, publikoval výskum popisujúci variant procesu nazývaný "dávková protiprúdová reverzná osmóza". Recirkuláciou určitých koncentrácií vody na oboch stranách membrány sa dasov proces ukazuje ako energeticky najúčinnejší odsoľovanie vody s vysokou slanosťou, pričom vyžaduje menej zložiek. A purdue magisterský študent Michael Roggenburg publikoval výskum, ktorý ukázal, že kombinácia reverznej osmózy šarže a obnoviteľnej energie by mohla priniesť sladkú vodu na celú 1954 míľovú hranicu medzi USA a Mexikom.

"Bezpečnosť vody je obrovský problém na celom svete, na ktorom som celú svoju kariéru pracoval," povedal Warsinger. "Tieto výsledky s reverznou osmózou šarže sú naozaj vzrušujúce. Ak trochu zníženie nákladov, potom odsoľovanie sa stáva životaschopnou možnosťou pre viac miest. Mohlo by to byť transformačné."