Η σημαντική ανακάλυψη στην αντίστροφη όσμωση μπορεί να οδηγήσει στην πιο ενεργειακά αποδοτική θαλάσσια αφαλάτωση ποτέ

(Ειδήσεις Nanowerk) Η παραγωγή γλυκού νερού από το θαλασσινό νερό απαιτεί συνήθως τεράστιες ποσότητες ενέργειας. Η πιο διαδεδομένη διαδικασία αφαλάτωσης ονομάζεται αντίστροφη όσμωση, η οποία λειτουργεί ρέοντας θαλασσινό νερό πάνω από μια μεμβράνη σε υψηλή πίεση για την απομάκρυνση των ορυκτών.

Τώρα, οι μηχανικοί του Πανεπιστημίου Purdue έχουν αναπτύξει μια παραλλαγή της διαδικασίας που ονομάζεται «batch reverse osmosis», η οποία υπόσχεται καλύτερη ενεργειακή απόδοση, εξοπλισμό μεγαλύτερης διάρκειας και την ικανότητα επεξεργασίας νερού πολύ υψηλότερης αλατότητας Θα μπορούσε να καταλήξει σε μια διαφορά στην ασφάλεια των υδάτων σε όλο τον κόσμο.

Η αντίστροφη όσμωση χρησιμοποιείται σε πολλές χώρες. Σε ξηρές περιοχές όπως η Μέση Ανατολή, περισσότερες από τις μισές προμήθειες γλυκού πόσιμου νερού προέρχονται από εγκαταστάσεις αφαλάτωσης. Αλλά για να διατηρηθεί το υψηλό επίπεδο πίεσης που απαιτείται για τη διαδικασία - έως και 70 φορές την ατμοσφαιρική πίεση - μια μονάδα αφαλάτωσης πρέπει να χρησιμοποιεί μεγάλο αριθμό αντλιών και άλλου εξοπλισμού. Και αυτό χρησιμοποιεί πολλή ενέργεια.

«Περίπου το ένα τρίτο του κόστους ζωής μιας μονάδας αφαλάτωσης είναι η ενέργεια», δήλωσε ο David Warsinger, επίκουρος καθηγητής μηχανολόγων μηχανικών στο Purdue. «Ακόμη και μικρές βελτιώσεις στη διαδικασία - μερικές εκατοστιαίες μονάδες διαφοράς - μπορούν να εξοικονομήσουν εκατοντάδες εκατομμύρια δολάρια και να βοηθήσουν να διατηρηθεί το CO2 έξω από την ατμόσφαιρα."

Κατά τη διάρκεια του διδακτορικού του έργου στο MIT, ο Warsinger ανέπτυξε για πρώτη φορά την ιδέα της «παρτίδας αντίστροφης όσμωσης». Αντί να διατηρείται μια συνεχής ροή θαλασσινού νερού σε αυτά τα υψηλά επίπεδα πίεσης, μια διαδικασία παρτίδας παίρνει μια καθορισμένη ποσότητα νερού ταυτόχρονα. το επεξεργάζεται? το απορρίπτει. και στη συνέχεια επαναλαμβάνει τη διαδικασία με την επόμενη παρτίδα.

«Κάθε παρτίδα διαρκεί περίπου ένα έως δύο λεπτά», δήλωσε ο Warsinger. «Αυξάνουμε την πίεση με την πάροδο του χρόνου, μειώνουμε τον όγκο με την πάροδο του χρόνου και καταλήγουμε να καταναλώνουμε πολύ λιγότερη ενέργεια για να παράγουμε την ίδια ποσότητα γλυκού νερού.»

Οι μεταπτυχιακοί φοιτητές Abhimanyu Das (αριστερά) και Akshay Rao προσαρμόζουν μια δεξαμενή εμβόλου, το βασικό συστατικό μιας νέας διαδικασίας αφαλάτωσης που ονομάζεται «αντίστροφη όσμωση παρτίδας διπλής δράσης». (Εικόνα: Jared Pike, Πανεπιστήμιο Purdue)

Αν και ορισμένα εργοστάσια αφαλάτωσης έχουν προσπαθήσει να χρησιμοποιήσουν τεχνικές ημι-παρτίδας, κανένας δεν έχει εφαρμόσει ποτέ ένα πλήρες σύστημα παρτίδας - εν μέρει λόγω των χρονικών διαλειμμάτων μεταξύ των παρτίδων.

«Χρειάζεται χρόνος και ενέργεια για την άντληση κάθε παρτίδας νερού και στη συνέχεια αντλία της επόμενης παρτίδας νερού για επεξεργασία», δήλωσε ο Warsinger. «Το να ξοδεύεις αυτόν τον χρόνο και την ενέργεια γενικά ακυρώνει τα κέρδη απόδοσης που θα μπορούσες να πάρεις από τη χρήση της διαδικασίας παρτίδας. Γι 'αυτό αναπτύξαμε μια λύση που ονομάζεται «αντίστροφη όσμωση διπλής δράσης παρτίδας». "

Έμβολο διπλής χρήσης

Αυτή η νέα διαδικασία χρησιμοποιεί μια δεξαμενή εμβόλου - ένα δοχείο υψηλής πίεσης με ένα έμβολο στη μέση. Ενώ η μία πλευρά του εμβόλου στέλνει θαλασσινό νερό προς τα εμπρός στον βρόχο επεξεργασίας, η άλλη πλευρά του εμβόλου γεμίζει ταυτόχρονα με την επόμενη παρτίδα θαλασσινού νερού στην ουρά. Όταν τελειώνει μια διαδικασία παρτίδας, το έμβολο εγχέει απρόσκοπτα την επόμενη παρτίδα θαλασσινού νερού στο σύστημα, ενώ ταυτόχρονα γεμίζει την άλλη πλευρά του με την επόμενη παρτίδα θαλασσινού νερού στην ουρά και η διαδικασία επαναλαμβάνεται συνεχώς.

«Αντί να αδειάζουμε πλήρως το έμβολο κάθε φορά ή να χρησιμοποιούμε κάποιο άλλο υγρό ή αέριο για να συμπιέσουμε το έμβολο, το γεμίζουμε με την επόμενη παρτίδα θαλασσινού νερού», δήλωσε ο Warsinger. «Αντί λοιπόν η μία πλευρά του εμβόλου να είναι ουσιαστικά νεκρός χώρος, χρησιμοποιούμε το ίδιο το θαλασσινό νερό για να βγάλουμε διπλή λειτουργία από αυτό το έμβολο, οπότε σχεδόν δεν υπάρχει χρόνος διακοπής λειτουργίας.

«Σύμφωνα με τα μοντέλα μας, αυτό το προτεινόμενο σύστημα προσφέρει τη χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας ποτέ για αφαλάτωση θαλασσινού νερού. Είναι το καλύτερο ορόσημο στην κατηγορία. "

Η έρευνά τους έχει δημοσιευτεί στοΑφαλάτωση (GG «Διαμόρφωση διπλής δράσης ανάστροφης όσμωσης για καλύτερη απόδοση στην κατηγορία και χαμηλό χρόνο διακοπής GG».).

«Το Downtime είναι πραγματικά κάτι που θέλετε να αποφύγετε», δήλωσε η Sandra Cordoba, φοιτήτρια του Purdue στη μηχανολογία και πρώτη συγγραφέας της εφημερίδας. "Εάν πρέπει να επισκευάσετε το σύστημα μετά από κάθε κύκλο, χάνετε όλη την ενεργειακή απόδοση. Η μείωση ή η εξάλειψη αυτού του χρόνου διακοπής είναι το βασικό πράγμα που καθιστά εφικτή την ανάστροφη όσμωση παρτίδας. "

Η Cordoba ανέπτυξε επίσης τα θεωρητικά υδραυλικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται στο χαρτί.

«Η αντίστροφη όσμωση είναι μια πολύπλοκη διαδικασία», δήλωσε η Κόρδοβα. «Για να μετρήσουμε την επιτυχία της, πρέπει να παρακολουθήσετε πολλές μεταβλητές: πίεση νερού, όγκος, αλατότητα, αναλογία ανάκτησης, χρόνος και ενέργεια. Με αυτά τα μοντέλα, μπορέσαμε να προσδιορίσουμε τη σωστή ποσότητα πίεσης με την πάροδο του χρόνου για να επιτύχουμε τα καλύτερα αποτελέσματα χρησιμοποιώντας την ελάχιστη ποσότητα ενέργειας. "

Πόσο μεγάλο είναι το ρεζερβουάρ εμβόλου; Εξαρτάται από το μέγεθος του συστήματος.

«Η αντίστροφη όσμωση λειτουργεί σε ένα ευρύ φάσμα κλιμάκων», δήλωσε ο Warsinger. «Τα νοικοκυριά στην Ινδία συχνά διαθέτουν σύστημα μικροστροφής αντίστροφης όσμωσης για το σπίτι τους, όπου θα μπορούσατε να το κρατήσετε στα χέρια σας. Για τα πειράματά μας, έχουμε δημιουργήσει ένα μοντέλο συστήματος όπου το ρεζερβουάρ έχει μέγεθος περίπου πυροσβεστήρα. Σε ένα εργοστάσιο πλήρους κλίμακας, μπορεί να έχει μήκος εκατό πόδια. Αλλά η ομορφιά του είναι ότι δεν είναι ένα περίπλοκο κομμάτι εξοπλισμού. είναι ουσιαστικά ένας σωλήνας, με ένα στεγανό έμβολο στη μέση. Αλλά αυτό το έμβολο αλλάζει τα πάντα. "

Το εργαστήριο του Warsinger έχει χρησιμοποιήσει αυτήν την ανάπτυξη παρτίδας διπλής δράσης για να τροφοδοτήσει πολλές νέες προόδους στην αφαλάτωση. Abhimanyu Das, Purdue Ph.D. φοιτητής μηχανολόγων μηχανικών, δημοσίευσε έρευνα που περιγράφει μια παραλλαγή της διαδικασίας που ονομάζεται «παρτίδα αντίστροφη όσμωση». Με την επανακυκλοφορία ορισμένων συγκεντρώσεων νερού και στις δύο πλευρές της μεμβράνης, η διαδικασία του Das αποδεικνύεται ότι είναι η πιο ενεργειακά αποδοτική διαδικασία αφαλάτωσης για νερό υψηλής αλατότητας, ενώ απαιτούνται λιγότερα συστατικά. Και ο μαθητής του δασκάλου του Purdue, Michael Roggenburg, δημοσίευσε έρευνα που δείχνει ότι ένας συνδυασμός ανάστροφης όσμωσης παρτίδας και ανανεώσιμης ενέργειας θα μπορούσε ενδεχομένως να προσφέρει γλυκό νερό σε ολόκληρα τα σύνορα 1.954 μιλίων μεταξύ ΗΠΑ και Μεξικού.

«Η ασφάλεια των υδάτων είναι ένα τεράστιο ζήτημα σε όλο τον κόσμο, στο οποίο έχω περάσει όλη μου την καριέρα δουλεύοντας», δήλωσε ο Warsinger. «Αυτά τα αποτελέσματα με ανάστροφη όσμωση είναι πολύ συναρπαστικά. Αν μειώσουμε λίγο το κόστος, τότε η αφαλάτωση γίνεται μια βιώσιμη επιλογή για περισσότερα μέρη. Θα μπορούσε να είναι μεταμορφωτικό. "