Áttörés fordított ozmózis vezethet a legtöbb energiahatékony tengervíz sótalanítás valaha

(Nanowerk Hírek) Az édesvíz tengervízből való készítése általában hatalmas mennyiségű energiát igényel. A sótalanítás legelterjedtebb folyamatát fordított ozmózisnak nevezik, amely úgy működik, hogy a tengervizet nagy nyomáson egy membránon keresztül áramlik az ásványi anyagok eltávolítására.

Most, Purdue Egyetem mérnökei kifejlesztettek egy változata a folyamat úgynevezett "batch fordított ozmózis", amely azt ígéri, jobb energiahatékonyság, hosszabb élettartamú berendezések és a képesség, hogy feldolgozza a víz sokkal nagyobb sótartalom. Ez lehet a végén a különbség-készítő a vízbiztonság az egész világon.

A fordított ozmózist számos országban használják; olyan száraz helyeken, mint a Közel-Kelet, az édesvízkészletek több mint fele sótalanító létesítményekből származik. De ahhoz, hogy fenntartsák a magas szintű nyomás szükséges a folyamat - akár 70-szer légköri nyomás - a sótalanító üzem kell alkalmaznia nagy számú szivattyúk és egyéb berendezések. És ez sok energiát használ fel.

"Körülbelül egyharmada az élettartam költsége egy sótalanító üzem energia," mondta David Warsinger, a Purdue adjunktusa gépészmérnök. "Még a folyamat kis fejlesztései is – néhány százalékpontos különbség – több száz millió dollárt takaríthatnak meg, és segíthetnek a CO2 légkörből való távoltartásában."

Az MIT-n végzett doktori munkája során Warsinger először kifejlesztette a "batch reverse osmosis" ötletét. Ahelyett, hogy a tengervíz állandó áramlását a magas nyomásszinteken tartanák, a tételfolyamat egyszerre meghatározott mennyiségű vizet vesz fel; feldolgozza; kisüti; majd megismétli a folyamatot a következő köteggel.

"Minden tétel fut körülbelül egy-két percig," Warsinger mondta. "Idővel növeljük a nyomást, idővel csökkentjük a térfogatot, és a végén sokkal kevesebb energiát használunk fel, hogy ugyanannyi friss vizet állítsunk elő."

Végzős diákok Abhimanyu Das (balra) és Akshay Rao beállítani egy dugattyús tartály, a legfontosabb eleme egy új sótalanítási folyamat úgynevezett "kettős hatású tétel fordított ozmózis." (Kép: Jared Pike, Purdue Egyetem)                

Bár néhány sótalanító üzemek megpróbálták használni semibatch technikákat, egyik sem valaha is végre egy teljes tétel rendszer - részben azért, mert az idő szünetek között tételek.

"Időbe és energiába kerül, hogy szivattyú minden tétel vizet ki, majd szivattyú a következő tétel a víz feldolgozásra," Warsinger mondta. "Az idő és az energia felhasználása általában megszünteti a gyártási folyamat használatából származó hatékonyságnövekedést. Ezért dolgoztunk ki egy "kettős hatású batch reverse osmosis" nevű megoldást.

Kétfeladatos dugattyú

Ez az új folyamat egy dugattyús tartályt használ – egy nagynyomású edényt, amelynek közepén dugattyú van. Míg a dugattyú egyik oldala a tengervizet előre küldi a feldolgozási hurokba, a dugattyú másik oldala egyidejűleg megtelik a következő tengeri víz tétellel a sorban. Amikor az egyik kötegfolyamat véget ér, a dugattyú zökkenőmentesen injektálja a következő tengervizet a rendszerbe, miközben egyidejűleg kitölti a másik oldalát a következő tengeri víz tétellel a sorban, és a folyamat folyamatosan ismétlődik.

"Ahelyett, hogy teljesen kiüríti a dugattyú minden alkalommal, vagy valamilyen más folyadék vagy gáz nyomás alatt a dugattyú, mi töltjük meg a következő tétel a tengervíz," Warsinger mondta. "Tehát ahelyett, hogy a dugattyú egyik oldala lényegében holttér lenne, magát a tengervizet használjuk arra, hogy dupla vámot kapjunk ebből a dugattyúból, így szinte nincs állásidő.

"Modelljeink szerint ez a javasolt rendszer minden eddigi legalacsonyabb energiafogyasztást kínálja a tengervíz sótalanításához. Ez egy mérföldkő a kategóriában."

Kutatásuk asótalanítás("Dupla hatású batch reverse ozmózis konfiguráció a kategóriájában a legjobb hatékonyság és alacsony állásidő").

"Állásidő tényleg valami, amit el akar kerülni," mondta Sandra Cordoba, a Purdue mester hallgatója gépészmérnök és az első szerzője a papírt. "Ha minden ciklus után szervizeli a rendszert, elveszíti az energiahatékonyságát. Az állásidő csökkentése vagy megszüntetése a legfontosabb dolog, ami megvalósíthatóvá teszi a kötegelt fordított ozmózist."

Cordoba kifejlesztette a papírban használt elméleti hidraulikus modelleket is.

"Fordított ozmózis egy összetett folyamat," Cordoba mondta. "A siker méréséhez számos változót kell nyomon követni: víznyomás, térfogat, sótartalom, visszanyerési arány, idő és energia. Ezekkel a modellekkel meg tudtuk határozni a megfelelő nyomásmennyiséget az idő múlásával, hogy a lehető legjobb eredményt érjük el a minimális energiamennyiség felhasználásával."

Mekkora a dugattyús tartály? Ez a rendszer méretétől függ.

"Fordított ozmózis működik a legkülönbözőbb skálákon," Warsinger mondta. "Az indiai háztartások gyakran rendelkeznek mikro-fordított ozmózis rendszerrel a saját otthonukban, ahol a kezedben tarthatod. A kísérleteinkhez építettünk egy modellrendszert, ahol a dugattyús tartály körülbelül akkora, mint egy tűzoltó készülék. Egy teljes méretű üzemben akár 100 méter hosszú is lehet. De a szépsége az, hogy ez nem egy összetett berendezés; Ez lényegében egy cső, közepén egy vízzáró dugattyúval. De az a dugattyútartály mindent megváltoztat."

Warsinger laborja ezt a kettős hatású sorozatfejlesztést használta fel, hogy több új fejlesztést is kifejlődjen a sótalanítás terén. Abhimanyu Das, a Purdue Ph.D. hallgató gépészmérnök, közzétette a kutatás leírja egy változata a folyamat úgynevezett "batch counterflow fordított ozmózis." Bizonyos vízkoncentrációknak a membrán mindkét oldalán történő visszaforgatásával a Das eljárása a nagy sótartalmú víz legenergiatakarékosabb sótalanítási eljárásának bizonyul, miközben kevesebb összetevőt igényel. És Purdue mester tanítványa Michael Roggenburg közzétett kutatás azt mutatja, hogy kombinációja batch fordított ozmózis és a megújuló energia is elképzelhető, hogy friss vizet szállít a teljes 1954 mérföldes határ között az Egyesült Államok és Mexikó.

"A vízbiztonság egy hatalmas kérdés az egész világon, amit töltöttem az egész karrierem dolgozik," Warsinger mondta. "Ezek az eredmények a batch fordított ozmózis nagyon izgalmas. Ha csak egy kicsit csökkentjük a költségeket, akkor a sótalanítás több helyen életképes lehetőséggé válik. Átalakító hatású lehet."