Прорив у зворотному осмосі може призвести до найбільш енергоефективного опріснення морської води

(Новини Nanowerk) Виробництво прісної води з морської води, як правило, вимагає величезної кількості енергії. Найпоширеніший процес знесолення називається зворотним осмосом, який працює, пропускаючи морську воду через мембрану під високим тиском для видалення мінералів.

Зараз інженери Університету Пердью розробили варіант процесу під назвою "пакетний зворотний осмос", який обіцяє кращу енергоефективність, довговічне обладнання та здатність переробляти воду набагато вищої солоності. Це може призвести до різниці у безпеці води у всьому світі.

Зворотний осмос застосовується у багатьох країнах; в таких посушливих місцях, як Близький Схід, більше половини запасів свіжої питної води надходить із засобів для опріснення. Але для підтримки високого рівня тиску, необхідного для процесу - до 70 разів атмосферного тиску - установка для опріснення повинна використовувати велику кількість насосів та іншого обладнання. І на це витрачається багато енергії.

"Близько третини витрат на опріснення протягом усього життя - це енергія", - сказав Девід Варсінгер, доцент кафедри машинобудування в Пердю. "Навіть невеликі вдосконалення процесу - кілька відсотків пунктів різниці - можуть заощадити сотні мільйонів доларів і допомогти утримати CO2 від атмосфери".

Під час своєї докторської роботи в Массачусетському технологічному університеті Варсінгер вперше розробив ідею "пакетного зворотного осмосу". Замість того, щоб підтримувати постійний потік морської води на тих високих рівнях тиску, періодичний процес забирає певну кількість води за один раз; обробляє його; розряджає його; а потім повторює процес із наступною партією.

"Кожна партія триває приблизно одну-дві хвилини", - сказав Варсінгер. "Ми з часом збільшуємо тиск, з часом зменшуємо обсяг, і в підсумку використовуємо набагато менше енергії, щоб виробляти таку ж кількість прісної води".

Аспіранти Абхіманю Дас (ліворуч) та Акшай Рао пристосовують поршневий бак, ключовий компонент нового процесу опріснення, званого "періодичним зворотним осмосом подвійної дії". (Зображення: Джаред Пайк, Університет Пердью)

Хоча деякі установки для опріснення намагалися використовувати напівсерійні технології, жодна з них ніколи не впроваджувала повноцінну пакетну систему - частково через перерви між партіями.

"Для викачування кожної партії води потрібні час і енергія, а потім наступна партія води для переробки", - сказав Варсінгер. “Витрата цього часу та енергії загалом скасовує приріст ефективності, який ви отримали б від використання періодичного процесу. Ось чому ми розробили рішення, яке називається "пакетний зворотний осмос подвійної дії" ".

Поршень подвійний

У цьому новому процесі використовується поршневий бак - посудина високого тиску з поршнем посередині. Поки одна сторона поршня направляє морську воду вперед у цикл обробки, інша сторона поршня одночасно заповнює наступну партію морської води в черзі. Коли один пакетний процес закінчується, поршень безперешкодно впорскує в систему наступну партію морської води, одночасно заповнюючи іншу сторону наступною партією морської води в черзі, і процес постійно повторюється.

"Замість того, щоб щоразу повністю спорожняти поршень або використовувати іншу рідину або газ для тиску на поршень, ми наповнюємо його наступною порцією морської води", - сказав Варсінгер. «Тому, замість того, щоб одна сторона поршня була по суті мертвим простором, ми використовуємо саму морську воду, щоб вивести з цього поршня подвійний обов’язок, тому простоїв майже немає.

“Згідно з нашими моделями, ця запропонована система пропонує найнижче споживання енергії коли-небудь для опріснення морської води. Це найкращий етап у своєму класі ».

Їхні дослідження опубліковані вОпріснення (GG Quot; Пакетна конфігурація зворотного осмосу подвійної дії для кращої ефективності у своєму класі та низького простою").

"Час простою - це те, чого ви хочете уникати", - сказала Сандра Кордова, студентка магістра машинобудування та перший автор статті, магістр Пердю. «Якщо вам доводиться обслуговувати систему після кожного циклу, ви втрачаєте всю свою енергоефективність. Скорочення або усунення цього простою є ключовим фактором, що робить пакетний зворотний осмос можливим ".

Кордова також розробив теоретичні гідравлічні моделі, використані в роботі.

"Зворотний осмос є складним процесом", - сказав Кордова. “Щоб оцінити його успіх, вам потрібно відстежувати багато змінних: тиск води, об’єм, солоність, коефіцієнт відновлення, час та енергію. За допомогою цих моделей ми змогли визначити правильну величину тиску з часом, щоб досягти найкращих результатів, використовуючи мінімальну кількість енергії ».

Наскільки великий поршневий бак? Це залежить від розміру системи.

"Зворотний осмос діє на широкому діапазоні масштабів", - сказав Варсінгер. “Домогосподарства в Індії часто мають систему мікро зворотного осмосу для власного будинку, де ви можете тримати її в руках. Для наших експериментів ми створили модельну систему, де поршневий бак має розмір приблизно з вогнегасник. На повномасштабному заводі він може мати довжину в сто футів. Але краса в тому, що це не складне обладнання; це по суті труба з водонепроникним поршнем посередині. Але цей поршневий бак все змінює ".

Лабораторія Warsinger використала цю партію подвійної дії для підживлення кількох нових досягнень у галузі опріснення. Абхіманю Дас, доктор філософії Перду Студент машинобудування опублікував дослідження, в якому описується варіант процесу, який називається "зворотний осмос періоду протитоку". Завдяки рециркуляції певних концентрацій води по обидва боки мембрани, процес Das виявляється найбільш енергоефективним процесом опріснення води з високим вмістом солі, при цьому вимагаючи меншої кількості компонентів. А студент магістратури Пердю Майкл Роггенбург опублікував дослідження, яке показало, що поєднання періодичного зворотного осмосу та відновлюваних джерел енергії могло б забезпечити доставку прісної води до всієї кордону між США та Мексикою в 1954 милі.

"Безпека води є величезною проблемою у всьому світі, над якою я провів всю свою кар'єру", - сказав Варсінгер. «Ці результати з періодичним зворотним осмосом дійсно захоплюють. Якщо ми трохи знизимо вартість, тоді опріснення стане життєздатним варіантом для більшої кількості місць. Це може перетворити ».