Läpimurto käänteisosmoosissa voi johtaa koskaan energiatehokkaimpaan meriveden suolanpoistoon

(Nanowerk-uutiset) Makean veden tekeminen merivedestä vaatii yleensä valtavia määriä energiaa. Laajinta suolanpoistoprosessia kutsutaan käänteisosmoosiksi, joka toimii virtaamalla merivettä kalvon yli korkeassa paineessa mineraalien poistamiseksi.

Nyt Purdue-yliopiston insinöörit ovat kehittäneet prosessin muunnoksen, nimeltään "erän käänteisosmoosi", joka lupaa paremman energiatehokkuuden, kestävämmät laitteet ja kyvyn käsitellä paljon korkeamman suolapitoisuuden omaavaa vettä. Se voi päätyä eroon vesiturvallisuudessa ympäri maailmaa.

Käänteisosmoosia käytetään monissa maissa; kuivissa paikoissa, kuten Lähi-idässä, yli puolet makean juomaveden varoista tulee suolanpoistolaitoksista. Mutta prosessin edellyttämän korkean paineen - jopa 70-kertaisen ilmanpaineen - ylläpitämiseksi suolanpoistolaitoksessa on käytettävä paljon pumppuja ja muita laitteita. Ja se kuluttaa paljon energiaa.

"Noin kolmasosa suolanpoistolaitoksen elinkaarikustannuksista on energiaa", kertoi Purdue-koneenrakennuksen apulaisprofessori David Warsinger. "Jopa pienet parannukset prosessiin - muutaman prosenttiyksikön ero - voivat säästää satoja miljoonia dollareita ja auttaa pitämään hiilidioksidin poissa ilmakehästä."

Hänen tohtorityönsä aikana MIT: ssä Warsinger kehitti ensin ajatuksen "erän käänteisosmoosista". Sen sijaan, että meriveden virtaus pysyy vakaana näillä korkeapainetasoilla, panosprosessi vie määrätyn määrän vettä kerralla; käsittelee sen; purkaa sen; ja toistaa prosessin seuraavalla erällä.

"Jokainen erä kestää noin 1-2 minuuttia", Warsinger sanoi. "Nostamme painetta ajan myötä, pienennämme äänenvoimakkuutta ajan myötä ja käytämme paljon vähemmän energiaa saman määrän makean veden tuottamiseen."

Jatko-opiskelijat Abhimanyu Das (vasemmalla) ja Akshay Rao säätävät mäntäsäiliötä, joka on keskeinen osa uutta suolanpoistoprosessia, nimeltään "kaksitoiminen erä käänteisosmoosi". (Kuva: Jared Pike, Purdue University)

Vaikka jotkut suolanpoistolaitokset ovat yrittäneet käyttää semibatch-tekniikoita, yksikään ei ole koskaan toteuttanut täyttä eräjärjestelmää - osittain erien välisten aikakatkosten vuoksi.

"Jokaisen vesierän pumppaaminen ja seuraavan vesierän pumppaus prosessointiin vie aikaa ja energiaa", Warsinger sanoi. ”Ajan ja energian kuluttaminen yleensä poistaa eräprosessin avulla saamasi hyötysuhteen. Siksi kehitimme ratkaisun nimeltä kaksitoiminen erä käänteisosmoosi. "

Kaksitoiminen mäntä

Tässä uudessa prosessissa käytetään mäntäsäiliötä - korkeapaineastiaa, jonka mäntä on keskellä. Kun männän toinen puoli lähettää merivettä eteenpäin prosessointisilmukkaan, männän toinen puoli täyttää samanaikaisesti jonossa olevan seuraavan merivesierän. Kun yksi panosprosessi päättyy, mäntä ruiskuttaa saumattomasti seuraavan meriveden erään järjestelmään samalla kun sen toinen puoli täyttyy jonossa olevalla seuraavalla merivedellä, ja prosessi toistuu jatkuvasti.

"Sen sijaan, että tyhjennämme männän kokonaan joka kerta tai käytämme muuta nestettä tai kaasua männän paineistamiseen, täytämme sen seuraavalla merivedellä", Warsinger sanoi. "Sen sijaan, että männän toinen puoli olisi olennaisesti kuollut tila, käytämme itse merivettä kaksinkertaiseen käyttöön tästä männästä, joten seisokkeja ei ole melkein.

"Malliemme mukaan tämä ehdotettu järjestelmä tarjoaa kaikkien aikojen pienimmän energiankulutuksen meriveden suolanpoistoon. Se on luokkansa paras virstanpylväs. "

Heidän tutkimuksensa on julkaistuSuolanpoisto (GG quot; Kaksitoiminen erä-käänteisosmoosikonfiguraatio luokkansa parhaan tehokkuuden ja matalien seisokkien").

"Seisokkeja on todella jotain, jota haluat välttää", sanoi Sandra Cordoba, Purduen konetekniikan maisteriopiskelija ja paperin ensimmäinen kirjoittaja. ”Jos joudut huoltamaan järjestelmää jokaisen jakson jälkeen, menetät kaiken energiatehokkuutesi. Seisokkien vähentäminen tai poistaminen on avainasia, joka tekee erän käänteisosmoosin mahdolliseksi. "

Cordoba kehitti myös paperissa käytetyt teoreettiset hydraulimallit.

"Käänteisosmoosi on monimutkainen prosessi", Cordoba sanoi. "Menestyksen arvioimiseksi sinun on seurattava monia muuttujia: vedenpaine, tilavuus, suolapitoisuus, palautumissuhde, aika ja energia. Näillä malleilla pystyimme määrittämään oikean määrän painetta ajan mittaan, jotta saavutamme parhaat tulokset käyttämällä pienintä energiamäärää. "

Kuinka suuri männän säiliö on? Se riippuu järjestelmän koosta.

"Käänteisosmoosi toimii monilla asteikoilla", Warsinger sanoi. ”Intian kotitalouksilla on usein mikro-käänteisosmoosijärjestelmä omaa kotiaan varten, jossa voit pitää sitä käsissäsi. Kokeitamme varten olemme rakentaneet mallijärjestelmän, jossa mäntäsäiliö on suunnilleen sammutinkokoinen. Täysimittaisessa laitoksessa se voi olla sata jalkaa pitkä. Mutta sen kauneus on, että se ei ole monimutkainen laite; se on pohjimmiltaan putki, jonka keskellä on vesitiivis mäntä. Mutta se mäntäsäiliö muuttaa kaiken. "

Warsingerin laboratorio on käyttänyt tätä kaksitoimista eräkehitystä polttoaineena useita uusia edistysaskeleita suolanpoistossa. Abhimanyu Das, Purdue Ph.D. konetekniikan opiskelija, on julkaissut tutkimuksen, joka kuvaa prosessin muunnosta, nimeltään "erän vastavirtauksen käänteisosmoosi". Kierrättämällä tiettyjä vesipitoisuuksia kalvon molemmille puolille Dasin prosessi osoittautuu energiatehokkaimmaksi suolanpoistoprosessiksi suolapitoiselle vedelle, mutta vaatii vähemmän komponentteja. Ja Purdue-maisteriopiskelija Michael Roggenburg on julkaissut tutkimuksen, joka osoittaa, että erän käänteisosmoosin ja uusiutuvan energian yhdistelmä voisi ajatella tuottavan makeaa vettä Yhdysvaltain ja Meksikon väliseen 1954 mailin rajaan.

"Vesiturvallisuus on valtava ongelma ympäri maailmaa, jonka parissa olen viettänyt koko urani", Warsinger sanoi. ”Nämä tulokset eräpuolella käänteisosmoosilla ovat todella jännittäviä. Jos laskemme kustannuksia vain vähän, suolanpoistosta tulee kannattava vaihtoehto useampaan paikkaan. Se voi olla muuttavaa. "