Gennembrud i Omvendt Osmose kan føre til mest energieffektive Havvand afsaltning Nogensinde

(Nanowerk Nyheder) At lave ferskvand ud af havvand kræver normalt enorme mængder energi. Den mest udbredte proces for afsaltning kaldes omvendt osmose, som virker ved at flyde havvand over en membran ved højt tryk for at fjerne mineralerne.

Nu har Purdue University ingeniører udviklet en variant af processen kaldet "batch reverse osmose", som lover bedre energieffektivitet, længerevarende udstyr og evnen til at behandle vand med meget højere saltholdighed. Det kan ende med en forskel-maker i vandsikkerhed rundt om i verden.

Omvendt osmose anvendes i mange lande; på tørre steder som Mellemøsten kommer mere end halvdelen af de friske drikkevandsforsyninger fra afsaltningsanlæg. Men for at opretholde det høje trykniveau, der kræves for processen – op til 70 gange atmosfærisk tryk – skal et afsaltningsanlæg anvende et stort antal pumper og andet udstyr. Og det bruger en masse energi.

"Omkring en tredjedel af levetiden omkostningerne ved en afsaltning anlæg er energi," sagde David Warsinger, en Purdue adjunkt i maskinteknik. "Selv små forbedringer af processen – et par procentpoints forskel – kan spare hundreder af millioner af dollars og være med til at holde CO2 ude af atmosfæren."

Under sit ph.d.-arbejde på MIT udviklede Warsinger først ideen om "batch reverse osmose." I stedet for at holde en konstant strøm af havvand på disse høje trykniveauer, tager en batchproces en bestemt mængde vand på én gang; behandler det; udleder det og gentager derefter processen med den næste batch.

"Hvert parti kører i omkring et til to minutter," Warsinger sagde. "Vi øger trykket over tid, reducerer lydstyrken over tid, og vi ender med at bruge meget mindre energi til at producere den samme mængde ferskvand."

Kandidatstuderende Abhimanyu Das (til venstre) og Akshay Rao justere et stempel tank, den vigtigste komponent til en ny afsaltning proces kaldet "dobbelt-virkende parti omvendt osmose." (Billede: Jared Pike, Purdue University)                

Selv om nogle afsaltningsanlæg har forsøgt at bruge semibatch teknikker, har ingen nogensinde gennemført en fuld batch system - dels på grund af den tid pauser mellem partier.

"Det tager tid og energi til at pumpe hvert parti af vand ud, og derefter pumpe det næste parti vand i til forarbejdning," Warsinger sagde. "Expending denne tid og energi generelt annullerer de effektivitetsgevinster, du ville få fra at bruge batch-processen. Derfor har vi udviklet en løsning kaldet 'dobbeltvirkende batch omvendt osmose.'"

Dobbelt-duty stempel

Denne nye proces bruger en stempeltank - et højtryksbeholder med et stempel i midten. Mens den ene side af stemplet sender havvand frem i behandlingssløjfen, fyldes den anden side af stemplet samtidig med det næste parti havvand i køen. Når en batchproces slutter, injicerer stemplet problemfrit det næste parti havvand i systemet, samtidig med at det fylder sin anden side med det næste parti havvand i køen, og processen gentages kontinuerligt.

"I stedet for fuldt tømning stemplet hver gang eller ved hjælp af en anden væske eller gas til at presse stemplet, vi fylder det med det næste parti af havvand," Warsinger sagde. "Så i stedet for at den ene side af stemplet i bund og grund er dødt rum, bruger vi selve havvandet til at få dobbelt-duty ud af dette stempel, så der er næsten ingen nedetid.

"Ifølge vores modeller tilbyder dette foreslåede system det laveste energiforbrug nogensinde til afsaltning af havvand. Det er en milepæl i klassen."

Deres forskning er blevet offentliggjort iafsaltning("Dobbeltvirkende batch omvendt osmose konfiguration for best-in-class effektivitet og lav nedetid").

"Nedetid er virkelig noget, du ønsker at undgå," sagde Sandra Cordoba, en Purdue master's studerende i maskinteknik og første forfatter af papiret. "Hvis du skal servicere systemet efter hver cyklus, mister du al din energieffektivitet. Reduktion eller eliminering af, at nedetid er det vigtigste, der gør batch omvendt osmose muligt.

Cordoba udviklede også de teoretiske hydrauliske modeller, der blev brugt i papiret.

"Omvendt osmose er en kompleks proces," Cordoba sagde. "For at måle dens succes skal du spore mange variabler: vandtryk, volumen, saltholdighed, restitutionsforhold, tid og energi. Med disse modeller var vi i stand til at bestemme den rigtige mængde pres over tid for at opnå de bedste resultater ved hjælp af den minimale mængde energi."

Hvor stor er stempeltanken? Det afhænger af størrelsen af systemet.

"Reverse osmose opererer på en bred vifte af skalaer," Warsinger sagde. "Husstande i Indien har ofte en mikro omvendt osmose system til deres eget hjem, hvor du kan holde det i dine hænder. Til vores eksperimenter har vi bygget et modelsystem, hvor stempeltanken er på størrelse med en brandslukker. I en fuldskala plante, kunne det være hundrede meter lang. Men skønheden i det er, at det ikke er et komplekst stykke udstyr; det er hovedsageligt et rør, med et vandtæt stempel i midten. Men den stempeltank ændrer alt."

Warsinger's laboratorium har brugt denne dobbelt-fungerende batch udvikling til brændstof flere nye fremskridt i afsaltning. Abhimanyu Das, en Purdue Ph.D. studerende i maskinteknik, har offentliggjort forskning, der beskriver en variant af processen kaldet "batch counterflow omvendt osmose." Ved at recirkulere visse koncentrationer af vand på begge sider af membranen, das 'proces er vist sig at være den mest energieffektive afsaltning proces for høj saltholdighed vand, samtidig med at færre komponenter. Og Purdue master's studerende Michael Roggenburg har offentliggjort forskning, der viser, at en kombination af parti omvendt osmose og vedvarende energi kunne tænkes at levere ferskvand til hele 1.954-mile grænsen mellem USA og Mexico.

"Vand sikkerhed er et stort problem rundt om i verden, som jeg har brugt hele min karriere arbejder på," Warsinger sagde. "Disse resultater med batch omvendt osmose er virkelig spændende. Hvis vi nedbringer omkostningerne bare en lille smule, bliver afsaltning en levedygtig mulighed for flere steder. Det kunne være transformativt."