Proveržis atvirkštinio Osmoso gali sukelti labiausiai energiją taupančio jūros vandens gėlinimo Ever

(Nanowerk Naujienos) Gėlo vandens gaminimas iš jūros vandens paprastai reikalauja didžiulio energijos kiekio. Labiausiai paplitęs gėlinimo procesas vadinamas atvirkštiniu osmosu, kuris veikia tekančiu jūros vandeniu per membraną aukštu slėgiu, kad pašalintų mineralus.

Dabar Purdue universiteto inžinieriai sukūrė proceso variantą, vadinamą "partijos atvirkštiniu osmosu", kuris žada geresnį energijos vartojimo efektyvumą, ilgalaikę įrangą ir gebėjimą apdoroti daug didesnio druskingumo vandenį. Jis gali baigtis vandens saugumo skirtumas visame pasaulyje.

Atvirkštinis osmosas naudojamas daugelyje šalių; sausringose vietose, tokiose kaip Artimieji Rytai, daugiau nei pusė gėlo geriamojo vandens atsargų gaunama iš gėlinimo įrenginių. Tačiau norint išlaikyti aukštą slėgio lygį, reikalingą procesui - iki 70 kartų atmosferos slėgio - gėlinimo įmonėje turi būti daug siurblių ir kitos įrangos. Ir tai sunaudoja daug energijos.

"Maždaug trečdalis gėlinimo įrenginio gyvavimo išlaidų yra energija", – sakė mechanikos inžinerijos docentas Davidas Warsingeris. "Net nedideli proceso patobulinimai - keli procentiniai punktai skirtumo - gali sutaupyti šimtus milijonų dolerių ir padėti išlaikyti CO2 iš atmosferos."

Per savo doktorantūros darbą MIT, Warsinger pirmą kartą sukūrė idėją "partijos atvirkštinio osmoso." Užuot laikius pastovų jūros vandens srautą tokiu aukšto slėgio lygiu, paketinis procesas vienu metu užima nustatytą vandens kiekį; jį apdoroja; išleidžia jį; ir pakartoja procesą su kitu paketu.

"Kiekviena partija veikia apie vieną ar dvi minutes," Warsinger pasakė. "Mes ramp up slėgis laikui bėgant, sumažinti tūrį laikui bėgant, ir mes galų gale naudojant daug mažiau energijos gaminti tą patį kiekį gėlo vandens."

Absolventai Abhimanyu Das (kairėje) ir Akshay Rao reguliuoti stūmoklio bakas, pagrindinis komponentas į naują gėlinimo procesą, vadinamą "dvigubo veikimo partijos atvirkštinio osmoso." (Vaizdas: Jared Pike, Purdue universitetas)                

Nors kai kurie gėlinimo įrenginiai bandė naudoti pusbačio metodus, nė vienas niekada neįgyvendino visos partijos sistemos - iš dalies dėl laiko pertraukų tarp partijų.

"Tai užima laiko ir energijos pumpuoti kiekvieną vandens partiją, ir tada siurblys kitą partiją vandens perdirbimo," Warsinger pasakė. "Eikvoti, kad laikas ir energija paprastai panaikina efektyvumo padidėjimą gausite iš naudojant paketinį procesą. Štai kodėl mes sukūrėme sprendimą, vadinamą "dvigubo veikimo partijos atvirkštiniu osmosu".

Dvigubos pareigos stūmoklis

Šis naujas procesas naudoja stūmoklio baką - aukšto slėgio indą su stūmoklio viduryje. Nors viena stūmoklio pusė siunčia jūros vandenį į priekį į apdorojimo kilpą, kita stūmoklio pusė tuo pačiu metu užpildo kitą jūros vandens partiją eilėje. Kai baigiasi vienas partijos procesas, stūmoklis sklandžiai įpurškia kitą jūros vandens partiją į sistemą, tuo pačiu užpildydamas kitą pusę kita eilėje esančių jūros vandens partija, o procesas nuolat kartojasi.

"Vietoj visiškai ištuštinti stūmoklio kiekvieną kartą arba naudojant kai kurių kitų skysčių ar dujų slėgio stūmoklio, mes užpildyti jį su kita partija jūros vandens," Warsinger pasakė. "Taigi, o ne viena stūmoklio pusė yra iš esmės negyva erdvė, mes naudojame patį jūros vandenį, kad gautume dvigubą muitą iš šio stūmoklio, todėl beveik nėra prastovų.

"Pagal mūsų modelius, ši siūloma sistema siūlo mažiausią kada nors sunaudotą energijos suvartojimą jūros vandens gėlinimui. Tai geriausias etapas klasėje."

Jų tyrimai buvo paskelbtiGėlinimas("Dvigubo veikimo partijos atvirkštinio osmoso konfigūracija, siekiant geriausio savo klasėje efektyvumo ir mažo prastovos ").

"Prastovos yra tikrai kažkas, ko norite išvengti," sakė Sandra Cordoba, Purdue magistro studentas mechaninės inžinerijos ir pirmasis autorius popieriaus. "Jei turite aptarnauti sistemą po kiekvieno ciklo, jūs prarasite visą savo energijos vartojimo efektyvumą. Sumažinti arba panaikinti, kad prastovos yra pagrindinis dalykas, kuris daro partijos atvirkštinio osmoso įmanoma."

Kordoba taip pat sukūrė teorinius hidraulinius modelius, naudojamus popieriuje.

"Atvirkštinis osmosas yra sudėtingas procesas," Cordoba pasakė. "Norėdami įvertinti jo sėkmę, turite sekti daug kintamųjų: vandens slėgį, tūrį, druskingumą, atkūrimo santykį, laiką ir energiją. Su šiais modeliais, mes galėjome nustatyti tinkamą kiekį slėgio laikui bėgant pasiekti geriausius rezultatus, naudojant minimalų energijos kiekį."

Kokio dydžio yra stūmoklio bakas? Tai priklauso nuo sistemos dydžio.

"Atvirkštinis osmosas veikia įvairių svarstyklių," Warsinger pasakė. "Namų ūkiai Indijoje dažnai turi mikro atvirkštinio osmoso sistemą savo namams, kur galėtumėte ją laikyti savo rankose. Savo eksperimentams sukūrėme modelių sistemą, kurioje stūmoklio bakas yra maždaug gesintuvo dydžio. Pilno masto gamykloje jis gali būti šimto pėdų ilgio. Bet grožis yra tai, kad tai nėra sudėtingas įrangos gabalas; tai iš esmės vamzdis, su vandeniui nepralaidus stūmoklis viduryje. Bet tas stūmoklio bakas viską keičia."

Warsinger laboratorija naudojo šį dvigubo veikimo partijos plėtros kuro keletą naujų pažangos gėlinimo. Abhimanyu Das, Purdue ph.D. studentas mechaninės inžinerijos, paskelbė mokslinius tyrimus, apibūdinančius proceso variantas vadinamas "partijos priešpriešinės srautas atvirkštinio osmoso." Recirkuliuojant tam tikras vandens koncentracijas abiejose membranos pusėse, įrodyta, kad Das procesas yra efektyviausias didelio druskingumo vandens gėlinimo procesas, kuriam reikia mažiau komponentų. Ir Purdue magistro studentas Michael Roggenburg paskelbė mokslinius tyrimus, rodančius, kad partijos atvirkštinio osmoso ir atsinaujinančios energijos derinys gali įsivaizduoti pristatyti gėlą vandenį į visą 1954 mylių sieną tarp JAV ir Meksikos.

"Vandens saugumas yra didžiulė problema visame pasaulyje, kurį aš praleido visą savo karjerą dirbti," Warsinger pasakė. "Šie rezultatai su partijos atvirkštinio osmoso yra tikrai įdomi. Jei šiek tiek sumažinti išlaidas, tada gėlinimas tampa perspektyvia galimybe daugiau vietų. Tai gali būti transformuojanti."