Proboj u obrnutoj osmozi mogao bi ikad dovesti do najefikasnijeg desalinizacije morske vode

(Vijesti o Nanowerku) Izrada slatke vode iz morske vode obično zahtijeva ogromne količine energije. Najrasprostranjeniji postupak desalinizacije naziva se reverzna osmoza, koji djeluje protokom morske vode preko membrane pod visokim tlakom kako bi uklonio minerale.

Sada su inženjeri sveučilišta Purdue razvili varijantu postupka nazvanu "šaržna reverzna osmoza", koja obećava bolju energetsku učinkovitost, dugotrajniju opremu i sposobnost obrade vode mnogo veće slanosti. To bi moglo dovesti do stvaranja razlika u sigurnosti vode širom svijeta.

U mnogim se zemljama koristi reverzna osmoza; u sušnim mjestima poput Bliskog istoka, više od polovice zaliha svježe pitke vode dolazi iz postrojenja za desalinizaciju. Ali da bi se održala visoka razina tlaka potrebnog za postupak - do 70 puta veći od atmosferskog tlaka - postrojenje za desalinizaciju mora upotrijebiti velik broj pumpi i ostale opreme. A to troši puno energije.

"Otprilike trećina životnih troškova postrojenja za desalinizaciju čini energija", rekao je David Warsinger, docent za strojarstvo u Purdueu. "Čak i mala poboljšanja procesa - nekoliko postotnih bodova razlike - mogu uštedjeti stotine milijuna dolara i pomoći u zadržavanju CO2 izvan atmosfere."

Tijekom svog doktorskog rada na MIT-u Warsinger je prvo razvio ideju o "šaržnoj reverznoj osmozi". Umjesto da se konstantni protok morske vode drži na tim visokim razinama tlaka, šaržni postupak istodobno uzima zadanu količinu vode; obrađuje ga; prazni ga; a zatim postupak ponavlja sa sljedećom serijom.

"Svaka serija traje otprilike jednu do dvije minute", rekao je Warsinger. "S vremenom pojačavamo pritisak, s vremenom smanjujemo količinu i na kraju koristimo mnogo manje energije za proizvodnju iste količine slatke vode."

Diplomirani studenti Abhimanyu Das (lijevo) i Akshay Rao prilagođavaju klipni spremnik, ključnu komponentu novog postupka desalinizacije nazvanog "dvostruko djelujuća šaržna reverzna osmoza". (Slika: Jared Pike, Sveučilište Purdue)

Iako su neka postrojenja za desalinizaciju pokušala koristiti tehnike polušarže, niti jedna nikada nije implementirala puni šaržni sustav - dijelom zbog vremenskih pauza između serija.

"Potrebno je vrijeme i energija za ispumpavanje svake serije vode, a zatim upumpavanje sljedeće količine vode za preradu", rekao je Warsinger. „Ako se potroši to vrijeme i energija, u pravilu se poništava dobitak koji biste postigli korištenjem šaržnog postupka. Zbog toga smo razvili rješenje nazvano "dvostruko djelujuća šaržna reverzna osmoza."

Dvostruki klip

Ovaj novi postupak koristi klipni spremnik - posudu pod visokim tlakom s klipom u sredini. Dok jedna strana klipa šalje morsku vodu naprijed u petlju za obradu, druga strana klipa istodobno se puni sljedećom serijom morske vode u redu. Kad završi jedan šaržni postupak, klip neprimjetno ubrizgava sljedeću seriju morske vode u sustav, istodobno ispunjavajući drugu stranu slijedećom šaržom morske vode u redu, a postupak se kontinuirano ponavlja.

"Umjesto da svaki put potpuno ispraznimo klip ili upotrijebimo neku drugu tekućinu ili plin za pritisak, kružimo ga sljedećom serijom morske vode", rekao je Warsinger. „Dakle, umjesto da je jedna strana klipa u osnovi mrtvi prostor, mi koristimo samu morsku vodu kako bismo izvukli dvostruku dužnost iz ovog klipa, tako da gotovo da nema zastoja.

„Prema našim modelima, ovaj predloženi sustav nudi najmanju potrošnju energije ikad za desalinizaciju morske vode. To je najvažnija prekretnica u klasi. "

Njihova istraživanja objavljena su uDesalinizacija (GG quot; Konfiguracija dvostrukog djelovanja serije reverzne osmoze za najbolju učinkovitost u klasi i mali zastoj").

"Zastoji su stvarno nešto što želite izbjeći", rekla je Sandra Cordoba, studentica magistarskog studija Purdue iz strojarstva i prva autorica rada. „Ako sustav morate servisirati nakon svakog ciklusa, gubite svu energetsku učinkovitost. Smanjivanje ili uklanjanje tog zastoja ključna je stvar koja čini serijsku reverznu osmozu izvedivom.

Cordoba je također razvio teorijske hidrauličke modele korištene u radu.

"Obrnuta osmoza složen je proces", rekao je Cordoba. „Da biste procijenili njegov uspjeh, morate pratiti mnoge varijable: tlak vode, volumen, slanost, omjer oporavka, vrijeme i energiju. Pomoću ovih modela uspjeli smo s vremenom odrediti pravu količinu pritiska kako bismo postigli najbolje rezultate koristeći minimalnu količinu energije. "

Koliki je klipni spremnik? Ovisi o veličini sustava.

"Obrnuta osmoza djeluje na širokom rasponu skala", rekao je Warsinger. “Kućanstva u Indiji često imaju mikro sustav reverzne osmoze za vlastiti dom, gdje biste ga mogli držati u rukama. Za naše eksperimente izgradili smo model sustava gdje je klipni spremnik približno veličine aparata za gašenje požara. U pogonu pune razmjere mogao bi biti dugačak sto metara. No, ljepota je toga što nije složen dio opreme; to je u biti cijev, s vodootpornim klipom u sredini. Ali taj klipni spremnik sve mijenja. "

Warsingerov laboratorij iskoristio je ovaj dvostruko djelujući šaržni razvoj za poticanje nekoliko novih dostignuća u desalinizaciji. Abhimanyu Das, dr. Purdue student strojarstva, objavio je istraživanje opisujući varijantu postupka nazvanu "šaržna protustruja reverzna osmoza". Recirkuliranjem određenih koncentracija vode s obje strane membrane, Dasov se postupak pokazao energetski najučinkovitijim postupkom desalinizacije vode s visokim salinitetom, a zahtijeva manje komponenata. I student magistarskog studija Purdue Michael Roggenburg objavio je istraživanje koje pokazuje da bi kombinacija šaržne reverzne osmoze i obnovljive energije mogla donijeti svježu vodu do cijele granice od SAD-a i Meksika od 1.954 milje.

"Sigurnost vode veliko je pitanje širom svijeta na kojem sam proveo cijelu karijeru radeći", rekao je Warsinger. „Ovi su rezultati sa šaržnom reverznom osmozom zaista uzbudljivi. Ako malo smanjimo troškove, tada desalinizacija postaje održiva opcija za više mjesta. Moglo bi biti transformirajuće. "