Izrāviens reversās osmozes jomā var novest pie visu laiku energoefektīvākās jūras ūdens atsāļošanas

(Nanowerk jaunumi) Saldūdens izgatavošana no jūras ūdens parasti prasa milzīgu enerģijas daudzumu. Visizplatītāko atsāļošanas procesu sauc par reverso osmozi, kas darbojas, plūstot jūras ūdenim pa membrānu augstā spiedienā, lai noņemtu minerālus.

Tagad Purdue Universitātes inženieri ir izstrādājuši procesa variantu, ko sauc par "partijas reverso osmozi", kas sola labāku energoefektivitāti, ilgstošāku aprīkojumu un spēju apstrādāt daudz augstāka sāļuma ūdeni. Tas varētu beigties ar ūdens drošības atšķirību veidotāju visā pasaulē.

Reversā osmoze tiek izmantota daudzās valstīs; tādās sausās vietās kā Tuvie Austrumi vairāk nekā puse saldūdens krājumu nāk no atsāļošanas iekārtām. Bet, lai uzturētu procesam nepieciešamo augsto spiedienu – līdz pat 70 reizēm atmosfēras spiedienu –, atsāļošanas iekārtā jāizmanto liels skaits sūkņu un citu iekārtu. Un tas izmanto daudz enerģijas.

"Aptuveni trešdaļa no atsāļošanas iekārtas mūža izmaksām ir enerģija," sacīja Purdue mašīnbūves docents Deivids Vorsingers. "Pat nelieli procesa uzlabojumi – daži procentpunkti atšķirību – var ietaupīt simtiem miljonu dolāru un palīdzēt noturēt CO2 atmosfērā."

Doktorantūras darba laikā MIT, Warsinger pirmo reizi izstrādāja ideju par "partijas reverso osmozi". Tā vietā, lai uzturētu pastāvīgu jūras ūdens plūsmu šajos augsta spiediena līmeņos, partijas process vienlaikus uzņem noteiktu ūdens daudzumu; apstrādā to; to izvada; un pēc tam atkārto procesu ar nākamo partiju.

"Katra partija darbojas apmēram vienu līdz divas minūtes," sacīja Varsingers. "Laika gaitā mēs palielinam spiedienu, laika gaitā samazinām apjomu, un mēs galu galā izmantojam daudz mazāk enerģijas, lai saražotu tādu pašu saldūdens daudzumu."

Absolventi Abhimanyu Das (pa kreisi) un Akshay Rao pielāgo virzuļa tvertni, kas ir galvenais komponents jaunam atsāļošanas procesam, ko sauc par "divkāršas darbības partijas reverso osmozi". (Attēls: Jared Pike, Purdue Universitāte)                

Lai gan dažas atsāļošanas iekārtas ir mēģinājušas izmantot pusfabrikātu metodes, neviena nekad nav ieviesusi pilnu partiju sistēmu - daļēji tāpēc, ka starp partijām ir pārtraukumi.

"Ir nepieciešams laiks un enerģija, lai izsūknētu katru ūdens partiju un pēc tam sūknētu pārstrādei nākamo ūdens partiju," sacīja Varsingers. "Tērējot šo laiku un enerģiju, parasti tiek atcelts efektivitātes pieaugums, ko jūs iegūtu, izmantojot partijas procesu. Tāpēc mēs izstrādājām risinājumu, ko sauc par "divkāršas darbības partijas reverso osmozi".

Dubultās nosakumšanas virzulis

Šis jaunais process izmanto virzuļa tvertni - augstspiediena tvertni ar virzuli vidū. Kamēr viena virzuļa puse sūta jūras ūdeni uz priekšu apstrādes cilpā, virzuļa otra puse vienlaikus piepildās ar nākamo jūras ūdens partiju rindā. Kad viens partijas process beidzas, virzulis nemanāmi ievada nākamo jūras ūdens partiju sistēmā, vienlaikus piepildot otru pusi ar nākamo jūras ūdens partiju rindā, un process atkārtojas nepārtraukti.

"Tā vietā, lai katru reizi pilnībā iztukšotu virzuli vai izmantotu kādu citu šķidrumu vai gāzi virzuļa spiedienam, mēs to piepildām ar nākamo jūras ūdens partiju," sacīja Varsingers. "Tā vietā, lai viena virzuļa puse būtībā būtu mirusi kosmosā, mēs izmantojam pašu jūras ūdeni, lai no šī virzuļa dabūtu dubultu pienākumu, tāpēc dīkstāves gandrīz nav.

"Saskaņā ar mūsu modeļiem šī piedāvātā sistēma piedāvā visu laiku zemāko enerģijas patēriņu jūras ūdens atsāļošanai. Tas ir savā klasē labākais pagrieziena punkts."

Viņu pētījumi ir publicētiAtsāļošana("Divkāršas darbības partijas reversās osmozes konfigurācija, lai uzlabotu savu efektivitāti un zemu dīkstāves laiku").

"Dīkstāve tiešām ir kaut kas tāds, no kā vēlies izvairīties," sacīja Purdues maģistranskolas studente mašīnbūvē un pirmā darba autore Sandra Kordoba. "Ja sistēma ir jāsēklo pēc katra cikla, jūs zaudējat visu savu energoefektivitāti. Šīs dīkstāves samazināšana vai novēršana ir galvenais, kas padara partiju reverso osmozi iespējamu."

Cordoba izstrādāja arī teorētiskos hidrauliskos modeļus, ko izmanto papīrā.

"Reversā osmoze ir sarežģīts process," sacīja Kordoba. "Lai novērtētu tā panākumus, ir jāseko daudziem mainīgajiem: ūdens spiedienam, tilpumam, sāļumam, reģenerācijas koeficientam, laikam un enerģijai. Ar šiem modeļiem mēs laika gaitā varējām noteikt pareizo spiediena daudzumu, lai sasniegtu vislabākos rezultātus, izmantojot minimālo enerģijas daudzumu."

Cik liela ir virzuļa tvertne? Tas ir atkarīgs no sistēmas lieluma.

"Reversā osmoze darbojas visdažādākajos mērogos," sacīja Varsingers. "Mājsaimniecībām Indijā bieži vien ir mikro reversās osmozes sistēma savām mājām, kur to varētu turēt rokās. Mūsu eksperimentiem mēs esam izveidojuši modeļu sistēmu, kurā virzuļa tvertne ir aptuveni ugunsdzēšamā aparāta lielumā. Pilna mēroga rūpnīcā tas varētu būt simts pēdas garš. Bet tā skaistums ir tāds, ka tas nav sarežģīts aprīkojums; tā būtībā ir caurule ar ūdens necaurlaidīgu virzuli vidū. Bet tā virzuļa tvertne visu maina."

Warsinger laboratorija ir izmantojusi šo divkāršās darbības partijas izstrādi, lai uzkurinātu vairākus jaunus sasniegumus atsāļošanā. Abhimanyu Das, Purdue Ph.D. students mašīnbūvē, ir publicējis pētījumu, kurā aprakstīts procesa variants, ko sauc par "partijas pretplūsmas reverso osmozi". Atkārtoti apstrādājot noteiktas ūdens koncentrācijas abās membrānas pusēs, das process ir energoefektīvākais atsāļošanas process augstas sāļuma ūdenim, vienlaikus pieprasot mazāk komponentu. Un Purdue maģistranskolas students Maikls Roggenburgs ir publicējis pētījumus, kas parāda, ka partijas reversās osmozes un atjaunojamās enerģijas kombinācija varētu piegādāt saldūdeni uz visu 1954 jūdžu robežu starp ASV un Meksiku.

"Ūdens drošība ir milzīgs jautājums visā pasaulē, pie kā esmu pavadījis visu savu karjeru, strādājot," sacīja Voringers. "Šie rezultāti ar partijas reverso osmozi ir patiešām aizraujoši. Ja mēs nedaudz samazināsim izmaksas, tad atsāļošana kļūst par dzīvotspējīgu iespēju vairāk vietām. Tas varētu būt transformējoši."