Прорыв в области обратного осмоса может привести к самому энергоэффективному опреснению морской воды за всю историю

(Новости Nanowerk) Производство пресной воды из морской воды обычно требует огромного количества энергии. Самый распространенный процесс опреснения воды называется обратным осмосом, при котором морская вода проходит через мембрану под высоким давлением для удаления минералов.

Теперь инженеры Университета Пердью разработали вариант процесса под названием «периодический обратный осмос», который обещает лучшую энергоэффективность, более долговечное оборудование и возможность обрабатывать воду с гораздо более высокой соленостью. В конечном итоге это может существенно повлиять на водную безопасность во всем мире.

Обратный осмос используется во многих странах; в засушливых регионах, таких как Ближний Восток, более половины запасов пресной питьевой воды поступает из опреснительных установок. Но для поддержания необходимого для процесса высокого уровня давления - до 70 раз превышающего атмосферное - на опреснительной установке необходимо использовать большое количество насосов и другого оборудования. И это требует много энергии.

«Примерно треть стоимости эксплуатации опреснительной установки составляет энергия», - сказал Дэвид Варсингер, доцент кафедры машиностроения Purdue. «Даже небольшие улучшения процесса - разница в несколько процентных пунктов - может сэкономить сотни миллионов долларов и помочь предотвратить попадание CO2 в атмосферу».

Во время своей докторской работы в Массачусетском технологическом институте Варсингер впервые разработал идею «периодического обратного осмоса». Вместо того, чтобы поддерживать постоянный поток морской воды на этих высоких уровнях давления, периодический процесс требует одновременного поступления определенного количества воды; обрабатывает его; разряжает его; а затем повторяет процесс со следующей партией.

«Каждая партия длится от одной до двух минут», - сказал Уорсингер. «Со временем мы увеличиваем давление, со временем уменьшаем объем и в конечном итоге используем гораздо меньше энергии для производства того же количества пресной воды».

Аспиранты Абхиманью Дас (слева) и Акшай Рао настраивают поршневой резервуар, ключевой компонент нового процесса опреснения воды, называемого «периодический обратный осмос двойного действия». (Изображение: Джаред Пайк, Университет Пердью)

Хотя некоторые опреснительные установки пытались использовать полупериодические методы, ни одна из них никогда не внедряла полную систему дозирования - отчасти из-за временных перерывов между партиями.

«Чтобы выкачать каждую порцию воды, а затем закачать следующую порцию воды для обработки, требуется время и энергия», - сказал Уорсингер. «Затраты времени и энергии обычно сводят на нет выигрыш в эффективности, который вы могли бы получить от пакетного процесса. Вот почему мы разработали решение под названием «периодический обратный осмос двойного действия» ».

Поршень двойного действия

В этом новом процессе используется поршневой резервуар - сосуд высокого давления с поршнем посередине. В то время как одна сторона поршня направляет морскую воду вперед в технологический цикл, другая сторона поршня одновременно наполняется следующей партией морской воды в очереди. Когда процесс одной партии заканчивается, поршень плавно впрыскивает следующую порцию морской воды в систему, одновременно заполняя другую его сторону следующей порцией морской воды в очереди, и процесс непрерывно повторяется.

«Вместо того, чтобы каждый раз полностью опорожнять поршень или использовать другую жидкость или газ для создания давления в поршне, мы заполняем его следующей партией морской воды», - сказал Варсингер. «Таким образом, вместо того, чтобы одна сторона поршня была по существу мертвым пространством, мы используем морскую воду, чтобы получить от этого поршня двойную нагрузку, поэтому простоев почти нет.

«Согласно нашим моделям, эта предлагаемая система обеспечивает самое низкое потребление энергии для опреснения морской воды. Это лучшая веха в своем классе ».

Их исследование опубликовано вОпреснение (GG quot; Конфигурация обратного осмоса периодического действия двойного действия для лучшей в своем классе эффективности и низкого времени простоя").

«Простои - это то, чего вы действительно хотите избежать», - сказала Сандра Кордоба, магистрантка Purdue в области машиностроения и первый автор статьи. «Если вам придется обслуживать систему после каждого цикла, вы потеряете всю свою энергоэффективность. Сокращение или устранение этого простоя - ключевой фактор, делающий возможным осуществление обратного осмоса в партии ».

Кордова также разработала теоретические гидравлические модели, используемые в статье.

«Обратный осмос - сложный процесс», - сказал Кордова. «Чтобы оценить его успех, вы должны отслеживать множество переменных: давление воды, объем, соленость, коэффициент восстановления, время и энергию. С помощью этих моделей мы смогли определить нужную величину давления с течением времени для достижения наилучших результатов при минимальном потреблении энергии ».

Насколько велик поршневой бак? Это зависит от размера системы.

«Обратный осмос работает в широком диапазоне масштабов», - сказал Варсингер. «Домашние хозяйства в Индии часто имеют в своем доме систему обратного осмоса на микроуровне, которую можно держать в руках. Для наших экспериментов мы построили модельную систему, в которой поршневой бак размером с огнетушитель. На полномасштабном заводе он может быть длиной в сто футов. Но прелесть этого в том, что это не сложное оборудование; По сути, это труба с водонепроницаемым поршнем посередине. Но этот поршневой бак меняет все ».

Лаборатория Варсингера использовала эту пакетную разработку двойного действия для достижения нескольких новых достижений в опреснении. Абхиманью Дас, доктор философии Purdue. студент-механик, опубликовал исследование, описывающее вариант процесса, называемый «противоточный обратный осмос периодического действия». За счет рециркуляции определенных концентраций воды по обеим сторонам мембраны процесс Даса оказался наиболее энергоэффективным процессом опреснения воды с высокой соленостью, требующим меньшего количества компонентов. А магистр Purdue Майкл Роггенбург опубликовал исследование, показывающее, что комбинация периодического обратного осмоса и возобновляемых источников энергии могла бы обеспечить доставку пресной воды на всю 1954-мильную границу между США и Мексикой.

«Водная безопасность - это огромная проблема во всем мире, над которой я работал всю свою карьеру», - сказал Уорсингер. «Эти результаты с периодическим обратным осмосом действительно впечатляют. Если мы немного снизим стоимость, то опреснение станет жизнеспособным вариантом для большего количества мест. Это могло бы изменить ситуацию ».