Genombrott i omvänd osmos kan leda till mest energieffektiva avsaltning av havsvatten någonsin

(Nanowerk News) Att göra sötvatten ur havsvatten kräver vanligtvis enorma mängder energi. Den mest utbredda processen för avsaltning kallas omvänd osmos, som fungerar genom att strömma havsvatten över ett membran vid högt tryck för att ta bort mineralerna.

Nu har ingenjörerna från Purdue University utvecklat en variant av processen som kallas "omvänd osmos i batch", som lovar bättre energieffektivitet, längre utrustning och förmågan att bearbeta vatten med mycket högre salthalt. Det kan bli en skillnadstillverkare i vattensäkerhet runt om i världen.

Omvänd osmos används i många länder; på torra platser som Mellanöstern kommer mer än hälften av färskt dricksvattenförsörjning från avsaltningsanläggningar. Men för att bibehålla den höga trycknivå som krävs för processen - upp till 70 gånger atmosfärstrycket - måste en avsaltningsanläggning använda ett stort antal pumpar och annan utrustning. Och det använder mycket energi.

"Ungefär en tredjedel av livslängdskostnaden för en avsaltningsanläggning är energi", säger David Warsinger, en Purdue-biträdande professor i maskinteknik. "Även små förbättringar av processen - några procentenheter i skillnad - kan spara hundratals miljoner dollar och hjälpa till att hålla koldioxid ur atmosfären."

Under sitt doktorandarbete vid MIT utvecklade Warsinger först tanken på "omvänd osmos i batch". I stället för att hålla ett konstant flöde av havsvatten vid dessa höga trycknivåer tar en satsprocess in en bestämd mängd vatten på en gång; bearbetar det; släpper ut det; och upprepar sedan processen med nästa sats.

"Varje sats körs i ungefär en till två minuter", sade Warsinger. "Vi ökar trycket över tiden, minskar volymen över tiden och slutar använda mycket mindre energi för att producera samma mängd färskvatten."

Doktoranderna Abhimanyu Das (vänster) och Akshay Rao justerar en kolvtank, nyckelkomponenten till en ny avsaltningsprocess som kallas "dubbelverkande omvänd osmos." (Bild: Jared Pike, Purdue University)

Även om vissa avsaltningsanläggningar har försökt använda halvbatchtekniker har ingen någonsin implementerat ett helt batch-system - delvis på grund av tidsavbrotten mellan satser.

"Det tar tid och energi att pumpa ut varje sats vatten och sedan pumpa nästa sats vatten in för bearbetning", sa Warsinger. ”Att använda den tiden och energin eliminerar i allmänhet de effektivitetsvinster som du skulle få genom att använda batchprocessen. Det är därför vi utvecklade en lösning som kallas "dubbelverkande batch-omvänd osmos." "

Dubbelkolv

Denna nya process använder en kolvtank - ett högtryckskärl med en kolv i mitten. Medan kolvens ena sida skickar havsvatten framåt i bearbetningsslingan, fylls kolvens andra sida samtidigt med nästa sats havsvatten i kön. När en satsprocess slutar injicerar kolven sömlöst nästa sats havsvatten i systemet samtidigt som den fyller sin andra sida med nästa sats sötvatten i kön, och processen upprepas kontinuerligt.

"Istället för att helt tömma kolven varje gång eller använda någon annan vätska eller gas för att trycksätta kolven, fyller vi den med nästa sats havsvatten," sade Warsinger. ”Istället för att ena sidan av kolven är i huvudsak död yta, använder vi själva havsvattnet för att få dubbelt arbete ur denna kolv, så det finns nästan ingen stilleståndstid.

”Enligt våra modeller erbjuder detta föreslagna system den lägsta energiförbrukningen någonsin för avsaltning av havsvatten. Det är en milstolpe i bästa klass. ”

Deras forskning har publicerats iAvsaltning (GG quot; Dubbelverkande omvänd osmoskonfiguration för bästa effektivitet och låg stillestånd").

"Driftstopp är verkligen något du vill undvika", säger Sandra Cordoba, en Purdue-magisterstudent i maskinteknik och första författare till tidningen. ”Om du måste serva systemet efter varje cykel tappar du all din energieffektivitet. Att minska eller eliminera stilleståndstiden är det viktigaste som gör batch-omvänd osmos möjlig. ”

Cordoba utvecklade också de teoretiska hydrauliska modellerna som användes i tidningen.

"Omvänd osmos är en komplex process," sa Cordoba. ”För att mäta dess framgång måste du spåra många variabler: vattentryck, volym, salthalt, återvinningsförhållande, tid och energi. Med dessa modeller kunde vi bestämma rätt mängd tryck över tiden för att uppnå bästa resultat med hjälp av den minsta energimängden. ”

Hur stor är kolvtanken? Det beror på systemets storlek.

"Omvänd osmos fungerar på ett brett spektrum av skalor," sade Warsinger. ”Hushåll i Indien har ofta ett mikro-system för omvänd osmos för sitt eget hem, där man kan hålla det i händerna. För våra experiment har vi byggt ett modellsystem där kolvtanken är ungefär lika stor som en brandsläckare. I en fullskalig anläggning kan den vara hundra meter lång. Men det vackra med det är att det inte är en komplex utrustning; det är i grunden ett rör, med en vattentät kolv i mitten. Men den kolvtanken förändrar allt. ”

Warsingers lab har använt denna dubbelverkande satsutveckling för att driva flera nya framsteg inom avsaltning. Abhimanyu Das, en doktor i Purdue. student i maskinteknik, har publicerat forskning som beskriver en variant av processen som kallas "batch counterflow reverse osmosis." Genom att återcirkulera vissa vattenkoncentrationer på båda sidor av membranet, visas Das-processen som den mest energieffektiva avsaltningsprocessen för vatten med hög salthalt, samtidigt som det kräver färre komponenter. Och Purdue-magisterstudenten Michael Roggenburg har publicerat forskning som visar att en kombination av omvänd osmos i batch och förnybar energi tänkbart kan leverera färskt vatten till hela 1954 mils gräns mellan USA och Mexiko.

"Vattensäkerhet är en enorm fråga runt om i världen, som jag har spenderat hela min karriär på," sade Warsinger. ”De här resultaten med omvänd osmos är riktigt spännande. Om vi ​​sänker kostnaden bara lite, blir avsaltning ett genomförbart alternativ för fler platser. Det kan vara transformativt. ”