Gjennombrudd i omvendt osmose kan føre til mest energieffektiv sjøvannsavsalting noensinne

(Nanowerk Nyheter) Å lage ferskvann ut av sjøvann krever vanligvis store mengder energi. Den mest utbredte prosessen for avsalting kalles omvendt osmose, som fungerer ved å strømme sjøvann over en membran ved høyt trykk for å fjerne mineralene.

Nå har Purdue University-ingeniører utviklet en variant av prosessen kalt "batch reverse osmosis", som lover bedre energieffektivitet, langvarig utstyr og evnen til å behandle vann med mye høyere saltholdighet. Det kan ende opp som en forskjellsprodusent innen vannsikkerhet rundt om i verden.

Omvendt osmose brukes i mange land; På tørre steder som Midtøsten kommer mer enn halvparten av de ferske drikkevannsforsyningene fra avsaltingsanlegg. Men for å opprettholde det høye trykket som kreves for prosessen – opptil 70 ganger atmosfærisk trykk – må et avsaltingsanlegg bruke et stort antall pumper og annet utstyr. Og det bruker mye energi.

"Omtrent en tredjedel av levetidskostnaden for et avsaltingsanlegg er energi," sa David Warsinger, en Purdue-assisterende professor i maskinteknikk. «Selv små forbedringer i prosessen – noen få prosentpoeng forskjell – kan spare hundrevis av millioner dollar og bidra til å holde CO2 ute av atmosfæren.»

Under sitt doktorgradsarbeid ved MIT utviklet Warsinger først ideen om "batch omvendt osmose." I stedet for å holde en konstant strøm av sjøvann på de høye trykknivåene, tar en batchprosess inn en bestemt mengde vann på en gang; behandler det; utslipp det; og gjentar deretter prosessen med neste bunke.

«Hvert parti kjører i omtrent ett til to minutter», sier Warsinger. " Vi øker trykket over tid, reduserer volumet over tid, og vi ender opp med å bruke mye mindre energi til å produsere samme mengde ferskvann."

Avgangsstudenter Abhimanyu Das (venstre) og Akshay Rao justerer en stempeltank, nøkkelkomponenten til en ny avsaltingsprosess kalt "dobbeltvirkende batch omvendt osmose." (Bilde: Jared Pike, Purdue University)                

Selv om noen avsaltingsanlegg har forsøkt å bruke semibatch-teknikker, har ingen noen gang implementert et fullt batchsystem - delvis på grunn av tidspausene mellom partier.

«Det tar tid og energi å pumpe ut hver porsjon vann, og deretter pumpe inn neste porsjon vann til bearbeiding», sier Warsinger. " Utgifter til at tid og energi generelt avbryter effektivitetsgevinstene du får ved å bruke batchprosessen. Derfor utviklet vi en løsning som kalles 'dobbeltvirkende batch omvendt osmose.'"

Dobbelt stempel

Denne nye prosessen bruker en stempeltank - et høytrykksbeholder med et stempel i midten. Mens den ene siden av stempelet sender sjøvann fremover i prosesseringssløyfen, fylles den andre siden av stempelet samtidig med neste porsjon sjøvann i køen. Når en batchprosess avsluttes, injiserer stempelet sømløst neste porsjon sjøvann i systemet samtidig som den fyller den andre siden med neste bunke sjøvann i køen, og prosessen gjentas kontinuerlig.

«I stedet for å tømme stempelet helt hver gang eller bruke annen væske eller gass til å presse stempelet, fyller vi det med neste porsjon sjøvann», sier Warsinger. – Så i stedet for at den ene siden av stempelet i hovedsak er dødt rom, bruker vi selve sjøvannet til å få dobbeltarbeid ut av dette stempelet, så det er nesten ingen nedetid.

– Ifølge våre modeller tilbyr dette foreslåtte systemet det laveste energiforbruket noensinne for avsalting av sjøvann. Det er en milepæl som er best i klassen.

Deres forskning har blitt publisert iavsalting("Dobbeltvirkende batch omvendt osmosekonfigurasjon for best-i-klassen effektivitet og lav nedetid ").

"Nedetid er virkelig noe du vil unngå," sa Sandra Cordoba, en Purdue masterstudent i maskinteknikk og førsteforfatter av avisen. "Hvis du må betjene systemet etter hver syklus, mister du all energieffektiviteten din. Å redusere eller eliminere nedetiden er det viktigste som gjør batch reverse osmose mulig.

Cordoba utviklet også de teoretiske hydrauliske modellene som brukes i papiret.

"Omvendt osmose er en kompleks prosess," sa Cordoba. " For å måle suksessen må du spore mange variabler: vanntrykk, volum, saltholdighet, utvinningsforhold, tid og energi. Med disse modellene var vi i stand til å bestemme riktig mengde trykk over tid for å oppnå de beste resultatene ved hjelp av minimumsmengden energi.

Hvor stor er stempeltanken? Det avhenger av størrelsen på systemet.

«Omvendt osmose opererer på et bredt spekter av skalaer,» sa Warsinger. " Husholdninger i India har ofte et mikro omvendt osmosesystem for sitt eget hjem, hvor du kan holde det i hendene dine. For våre eksperimenter har vi bygget et modellsystem der stempeltanken er omtrent på størrelse med en brannslukningsapparat. I en fullskala plante kan den være hundre meter lang. Men det fine med det er at det ikke er et komplekst utstyr; Det er egentlig et rør, med et vanntett stempel i midten. Men den stempeltanken forandrer alt."

Warsingers laboratorium har brukt denne dobbeltvirkende batchutviklingen til å fyre opp flere nye fremskritt innen avsalting. Abhimanyu Das, en Purdue Ph.D.-student i maskinteknikk, har publisert forskning som beskriver en variant av prosessen kalt "batch counterflow reverse osmosis." Ved å resirkulere visse konsentrasjoner av vann på begge sider av membranen, viser Das' prosess seg å være den mest energieffektive avsaltingsprosessen for vann med høy saltholdighet, samtidig som det krever færre komponenter. Og Purdue-masterstudent Michael Roggenburg har publisert forskning som viser at en kombinasjon av batch omvendt osmose og fornybar energi kan tenkes å levere ferskvann til hele den 954 kilometer lange grensen mellom USA og Mexico.

"Vannsikkerhet er et stort problem rundt om i verden, som jeg har brukt hele karrieren min på å jobbe med," sa Warsinger. " Disse resultatene med batch omvendt osmose er veldig spennende. Hvis vi tar ned kostnadene litt, blir avsalting et levedyktig alternativ for flere steder. Det kan være transformativt.