Průlom v reverzní osmóze může vést k energeticky nejefektivnějšímu odsolování mořské vody vůbec

(Nanowerk Novinky) Výroba sladké vody z mořské vody obvykle vyžaduje obrovské množství energie. Nejrozšířenější proces odsolování se nazývá reverzní osmóza, která funguje tak, že teče mořskou vodou přes membránu při vysokém tlaku k odstranění minerálů.

Inženýři Purdue university vyvinuli variantu procesu nazvanou "dávková reverzní osmóza", která slibuje lepší energetickou účinnost, dlouhodobější zařízení a schopnost zpracovávat vodu mnohem vyšší slanosti. Mohlo by to skončit jako rozdíl v zabezpečení vody po celém světě.

Reverzní osmóza se používá v mnoha zemích; na vyprahlých místech, jako je Blízký východ, pochází více než polovina zásob pitné vody z odsolovacích zařízení. Aby však odsolovací zařízení udrželo vysokou úroveň tlaku potřebnou pro tento proces – až 70násobek atmosférického tlaku –, musí využívat velké množství čerpadel a dalších zařízení. A to spotřebovává hodně energie.

"Asi třetinu celoživotních nákladů na odsolovací zařízení je energie," řekl David Warsinger, purdueský odborný asistent strojního inženýrství. "I malá zlepšení procesu – několik procentních bodů rozdílu – mohou ušetřit stovky milionů dolarů a pomoci udržet CO2 mimo atmosféru."

Během své doktorské práce na MIT, Warsinger poprvé rozvinul myšlenku "dávkové reverzní osmózy". Namísto udržování konstantního průtoku mořské vody na těchto vysokých úrovních tlaku přijímá dávkový proces najednou stanovené množství vody; zpracovává; vypouštěje; a pak proces zopakuje s další dávkou.

"Každá várka trvá asi jednu až dvě minuty," řekl Warsinger. "V průběhu času zvyšujeme tlak, v průběhu času snižujeme objem a nakonec spotřebováváme mnohem méně energie k výrobě stejného množství sladké vody."

Postgraduální studenti Abhimanyu Das (vlevo) a Akshay Rao upravují pístovou nádrž, klíčovou součást nového procesu odsolování nazývaného "dvojitě působící dávková reverzní osmóza". (Obrázek: Jared Pike, Purdue University)                

Ačkoli se některé odsolovací zařízení pokusily použít polobatch techniky, žádná z nich nikdy neimedovala plný dávkový systém – částečně kvůli časovým přestávkám mezi šaržemi.

"Čerpání každé šarže vody a její čerpání vyžaduje čas a energii a další dávku vody pak načerpou ke zpracování," řekl Warsinger. "Vynasnažení tohoto času a energie obecně ruší zvýšení efektivity, které byste získali při použití dávkového procesu. Proto jsme vyvinuli řešení zvané "dvojitě působící dávková reverzní osmóza".

Dvounásmový píst

Tento nový proces využívá pístovou nádrž – vysokotlaký nádobu s pístem uprostřed. Zatímco jedna strana pístu posílá mořskou vodu dopředu do zpracovatelské smyčky, druhá strana pístu se současně naplní další várkou mořské vody ve frontě. Když jeden dávkový proces skončí, píst plynule vstříkne další várku mořské vody do systému a současně naplní druhou stranu další dávkou mořské vody ve frontě a proces se neustále opakuje.

"Místo toho, abychom píst pokaždé úplně vyprázdnil nebo použil jinou kapalinu nebo plyn k natlaku pístu, naplníme ho další várkou mořské vody," řekl Warsinger. "Takže spíše než aby jedna strana pístu byla v podstatě mrtvým prostorem, používáme samotnou mořskou vodu, abychom z tohoto pístu dostali dvojitou službu, takže téměř žádné prostoje.

"Podle našich modelů nabízí tento navrhovaný systém vůbec nejnižší spotřebu energie pro odsolování mořské vody. Je to nejlepší milník ve své třídě."

Jejich výzkum byl publikován vodsolování("Dvojitě působící konfigurace dávkové reverzní osmózy pro nejlepší efektivitu ve své třídě a nízké prostoje ").

"Prostoje jsou opravdu něco, čemu se chcete vyhnout," řekla Sandra Cordoba, studentka purdueského magisterského oboru strojírenství a první autorka článku. "Pokud musíte systém obsluhovat po každém cyklu, ztratíte veškerou energetickou účinnost. Snížení nebo odstranění prostojů je klíčovou věcí, která umožňuje dávkovou reverzní osmózu."

Cordoba také vyvinula teoretické hydraulické modely používané v papíru.

"Reverzní osmóza je složitý proces," řekl Cordoba. "Chcete-li posoudit jeho úspěch, musíte sledovat mnoho proměnných: tlak vody, objem, slanost, rekuperační poměr, čas a energii. S těmito modely jsme byli schopni určit správné množství tlaku v průběhu času, abychom dosáhli nejlepších výsledků pomocí minimálního množství energie."

Jak velký je pístový tank? Záleží na velikosti systému.

"Reverzní osmóza funguje v široké škále měřítků," řekl Warsinger. "Domácnosti v Indii mají často systém mikro reverzní osmózy pro svůj vlastní domov, kde byste ho mohli držet v rukou. Pro naše experimenty jsme postavili modelový systém, kde je pístová nádrž o velikosti hasicího přístroje. V rostlině v plném měřítku může být sto stop dlouhá. Ale krása je v tom, že to není složité zařízení; Je to v podstatě trubka s vodotěsnou pístovou trubkou uprostřed. Ale ten pístový tank všechno změní."

Warsingerova laboratoř využila tento dvouletý vývoj šarží k tomu, aby podpořila několik nových pokroků v odsolování. Abhimanyu Das, purdue ph.D. student strojírenství, publikoval výzkum popisující variantu procesu nazvanou "dávková protiproudová reverzní osmóza". Recirkulací určitých koncentrací vody na obou stranách membrány se ukazuje, že Dasův proces je energeticky nejúčinnějším odsolováním vody s vysokou slaností a zároveň vyžaduje méně složek. A student purdueského magisterského titulu Michael Roggenburg publikoval výzkum, který ukazuje, že kombinace dávkové reverzní osmózy a obnovitelné energie by mohla dodávat čerstvou vodu na celou 1954 mil dlouhou hranici mezi USA a Mexikem.

"Bezpečnost vody je obrovský problém po celém světě, na kterém jsem pracoval celou svou kariéru," řekl Warsinger. "Tyto výsledky s dávkovou reverzní osmózou jsou opravdu vzrušující. Pokud náklady trochu ztišíme, pak se odsolování stane schůdnou možností pro více míst. Mohlo by to být transformativní."