Penemuan dalam Osmosis Terbalik Boleh Membawa Kepada Penyahgaraman Air Laut Yang Paling Cekap Tenaga Pernah

(Berita Nanowerk) Membuat air tawar daripada air laut biasanya memerlukan tenaga yang besar. Proses yang paling meluas untuk penyahgaraman dipanggil osmosis terbalik, yang berfungsi dengan mengalir air laut ke atas membran pada tekanan tinggi untuk membuang mineral.

Sekarang, jurutera Universiti Purdue telah membangunkan varian proses yang dipanggil "osmosis songsang kelompok," yang menjanjikan kecekapan tenaga yang lebih baik, peralatan yang tahan lama dan keupayaan untuk memproses air saliniti yang lebih tinggi. Ia boleh berakhir pembuat perbezaan dalam keselamatan air di seluruh dunia.

Osmosis terbalik digunakan di banyak negara; di tempat-tempat arid seperti Timur Tengah, lebih separuh daripada bekalan air minuman segar datangnya dari kemudahan penyahgaraman. Tetapi untuk mengekalkan tahap tekanan yang tinggi yang diperlukan untuk proses - sehingga 70 kali tekanan atmosfera - loji penyahgaraman mesti menggunakan sejumlah besar pam dan peralatan lain. Dan itu menggunakan banyak tenaga.

"Kira-kira satu pertiga daripada kos seumur hidup loji penyahgaraman adalah tenaga," kata David Warsinger, seorang pembantu purdue profesor kejuruteraan mekanikal. "Walaupun penambahbaikan kecil kepada proses - beberapa titik peratusan perbezaan - boleh menjimatkan beratus-ratus juta dolar dan membantu menjaga CO2 daripada suasana."

Semasa kerja kedoktorannya di MIT, Warsinger mula-mula membangunkan idea "osmosis terbalik kelompok." Daripada mengekalkan aliran air laut yang berterusan pada tahap tekanan tinggi, proses kelompok mengambil kuantiti air yang ditetapkan pada satu-satu masa; memprosesnya; pelepasannya; dan kemudian mengulangi proses dengan kumpulan seterusnya.

"Setiap kumpulan berjalan selama kira-kira satu hingga dua minit," kata Warsinger. "Kami meningkatkan tekanan dari masa ke masa, mengurangkan kelantangan dari masa ke masa, dan kami akhirnya menggunakan lebih sedikit tenaga untuk menghasilkan jumlah air tawar yang sama."

Pelajar siswazah Abhimanyu Das (kiri) dan Akshay Rao menyesuaikan tangki piston, komponen utama untuk proses penyahgaraman baru yang dipanggil "osmosis terbalik kumpulan dua lakonan." (Imej: Jared Pike, Purdue University)                

Walaupun beberapa loji penyahgaraman telah cuba menggunakan teknik semibatch, tiada yang pernah melaksanakan sistem kelompok penuh - sebahagiannya kerana masa rehat antara kelompok.

"Ia mengambil masa dan tenaga untuk mengepam setiap kumpulan air keluar, dan kemudian mengepam kumpulan air seterusnya untuk diproses," kata Warsinger. "Perbelanjaan masa dan tenaga itu secara amnya membatalkan keuntungan kecekapan yang akan anda perolehi daripada menggunakan proses kelompok. Itulah sebabnya kami membangunkan penyelesaian yang dipanggil 'osmosis songsang kumpulan dua lakonan.'"

Kambing tugas berganda

Proses baru ini menggunakan tangki piston - kapal tekanan tinggi dengan kambing di tengah-tengah. Manakala satu sisi piston menghantar air laut ke hadapan ke dalam gelung pemprosesan, sisi lain piston pada masa yang sama mengisi dengan kumpulan air laut seterusnya dalam barisan. Apabila satu proses kelompok berakhir, piston dengan lancar menyuntik kumpulan air laut seterusnya ke dalam sistem sambil pada masa yang sama mengisi sisi lain dengan kumpulan air laut seterusnya dalam barisan, dan proses berulang secara berterusan.

"Daripada mengosongkan sepenuhnya piston setiap kali atau menggunakan beberapa cecair atau gas lain untuk menekan piston, kami mengisinya dengan kumpulan air laut seterusnya," kata Warsinger. "Jadi bukannya satu sisi piston yang pada dasarnya ruang mati, kita menggunakan air laut itu sendiri untuk mendapatkan tugas berganda daripada kambing ini, jadi hampir tidak ada downtime.

"Mengikut model kami, sistem yang dicadangkan ini menawarkan penggunaan tenaga terendah yang pernah ada untuk penyahsebar air laut. Ia adalah peristiwa penting terbaik dalam kelas."

Penyelidikan mereka telah diterbitkan dalamPenyahgaraman("Konfigurasi osmosis terbalik kumpulan dua lakonan untuk kecekapan terbaik dalam kelas dan downtime rendah ").

"Downtime adalah benar-benar sesuatu yang anda mahu elakkan," kata Sandra Cordoba, pelajar sarjana Purdue dalam kejuruteraan mekanikal dan pengarang pertama kertas itu. "Jika anda perlu memberi perkhidmatan kepada sistem selepas setiap kitaran, anda kehilangan semua kecekapan tenaga anda. Mengurangkan atau menghapuskan bahawa downtime adalah perkara utama yang membuat kumpulan osmosis terbalik boleh dilaksanakan."

Cordoba juga membangunkan model hidraulik teori yang digunakan dalam kertas.

"Osmosis terbalik adalah proses yang kompleks," kata Cordoba. "Untuk mengukur kejayaannya, anda perlu mengesan banyak pembolehubah: tekanan air, kelantangan, saliniti, nisbah pemulihan, masa dan tenaga. Dengan model-model ini, kami dapat menentukan jumlah tekanan yang tepat dari masa ke masa untuk mencapai hasil terbaik menggunakan jumlah minimum tenaga."

Berapa besar tangki piston? Ia bergantung kepada saiz sistem.

"Osmosis terbalik beroperasi pada pelbagai skala," kata Warsinger. "Isi rumah di India sering mempunyai sistem osmosis terbalik mikro untuk rumah mereka sendiri, di mana anda boleh memegangnya di tangan anda. Untuk eksperimen kami, kami telah membina sistem model di mana tangki piston adalah mengenai saiz pemadam api. Dalam tumbuhan berskala penuh, ia boleh menjadi seratus kaki panjang. Tetapi keindahannya adalah bahawa ia bukan sekeping peralatan yang kompleks; ia pada dasarnya paip, dengan piston ketat air di tengah-tengah. Tetapi tangki piston itu mengubah segala-galanya."

Makmal Warsinger telah menggunakan pembangunan kelompok dua lakonan ini untuk menyemarakkan beberapa kemajuan baru dalam penyahgaraman. Abhimanyu Das, pelajar Purdue Ph.D. dalam kejuruteraan mekanikal, telah menerbitkan penyelidikan yang menggambarkan varian proses yang dipanggil "batch counterflow reverse osmosis." Dengan mengedarkan semula kepekatan air tertentu di kedua-dua belah membran, proses Das ditunjukkan sebagai proses penyahgaraman yang paling cekap tenaga untuk air saliniti tinggi, sambil memerlukan kurang komponen. Dan pelajar sarjana Purdue Michael Roggenburg telah menerbitkan penyelidikan yang menunjukkan bahawa gabungan osmosis songsang kumpulan dan tenaga boleh diperbaharui dapat menyampaikan air tawar ke seluruh sempadan 1,954 batu antara A.S. dan Mexico.

"Keselamatan air adalah isu besar di seluruh dunia, yang saya telah menghabiskan keseluruhan kerjaya saya bekerja," kata Warsinger. "Keputusan ini dengan osmosis songsang kelompok benar-benar menarik. Jika kita membawa kos ke bawah hanya sedikit, maka penyahselesaan menjadi pilihan yang berdaya maju untuk lebih banyak tempat. Ia boleh menjadi transformatif."