Đột phá trong thẩm thấu ngược có thể dẫn đến khử mặn nước biển tiết kiệm năng lượng nhất từ ​​trước đến nay

(Nanowerk News) Tạo ra nước ngọt từ nước biển thường đòi hỏi một lượng lớn năng lượng. Quá trình khử muối phổ biến nhất được gọi là thẩm thấu ngược, hoạt động bằng cách cho nước biển chảy qua màng ở áp suất cao để loại bỏ các khoáng chất.

Giờ đây, các kỹ sư của Đại học Purdue đã phát triển một biến thể của quy trình được gọi là “thẩm thấu ngược hàng loạt”, hứa hẹn hiệu quả năng lượng tốt hơn, thiết bị bền lâu hơn và khả năng xử lý nước có độ mặn cao hơn nhiều. Nó có thể tạo ra sự khác biệt về an ninh nước trên toàn thế giới.

Thẩm thấu ngược được sử dụng ở nhiều nước; ở những nơi khô cằn như Trung Đông, hơn một nửa nguồn cung cấp nước sạch đến từ các cơ sở khử muối. Nhưng để duy trì mức áp suất cao cần thiết cho quá trình - lên đến 70 lần áp suất khí quyển - nhà máy khử muối phải sử dụng số lượng lớn máy bơm và các thiết bị khác. Và điều đó sử dụng rất nhiều năng lượng.

David Warsinger, trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Purdue cho biết: “Khoảng một phần ba chi phí trong suốt thời gian tồn tại của một nhà máy khử muối là năng lượng. “Ngay cả những cải tiến nhỏ đối với quy trình - một vài điểm phần trăm khác biệt - có thể tiết kiệm hàng trăm triệu đô la và giúp loại bỏ CO2 ra khỏi bầu khí quyển.”

Trong quá trình làm việc tiến sĩ của mình tại MIT, Warsinger lần đầu tiên phát triển ý tưởng về “thẩm thấu ngược hàng loạt”. Thay vì giữ cho dòng nước biển liên tục ở các mức áp suất cao đó, một quá trình xử lý theo mẻ lấy một lượng nước nhất định tại một thời điểm; xử lý nó; xả nó ra; và sau đó lặp lại quy trình với lô tiếp theo.

Warsinger cho biết: “Mỗi đợt chạy trong khoảng một đến hai phút. "Chúng tôi tăng áp lực theo thời gian, giảm khối lượng theo thời gian và cuối cùng chúng tôi sử dụng ít năng lượng hơn nhiều để tạo ra cùng một lượng nước ngọt."

Các sinh viên sau đại học Abhimanyu Das (trái) và Akshay Rao điều chỉnh thùng chứa piston, thành phần quan trọng của quy trình khử muối mới được gọi là “thẩm thấu ngược theo lô tác động kép”. (Hình ảnh: Jared Pike, Đại học Purdue)

Mặc dù một số nhà máy khử muối đã cố gắng sử dụng kỹ thuật bán lô, nhưng chưa có nhà máy nào thực hiện một hệ thống theo lô đầy đủ - một phần là do thời gian giữa các lô bị gián đoạn.

Warsinger nói: “Phải mất thời gian và năng lượng để bơm từng mẻ nước ra và sau đó bơm những mẻ nước tiếp theo vào để xử lý. “Việc tiêu tốn thời gian và năng lượng đó thường làm mất đi hiệu quả mà bạn sẽ nhận được từ việc sử dụng quy trình hàng loạt. Đó là lý do tại sao chúng tôi đã phát triển một giải pháp được gọi là 'thẩm thấu ngược hàng loạt tác động kép'. "

Piston hai nhiệm vụ

Quy trình mới này sử dụng bình chứa piston - bình áp suất cao với piston ở giữa. Trong khi một bên của pít-tông đưa nước biển chuyển tiếp vào vòng xử lý, thì bên kia của pít-tông đồng thời lấp đầy với lô nước biển tiếp theo trong hàng đợi. Khi một quy trình kết thúc, pít-tông sẽ bơm liên tục lô nước biển tiếp theo vào hệ thống đồng thời lấp đầy mặt còn lại của nó với lô nước biển tiếp theo trong hàng đợi và quá trình lặp lại liên tục.

Warsinger cho biết: “Thay vì làm rỗng hoàn toàn pít-tông mỗi lần hoặc sử dụng một số chất lỏng hoặc khí khác để tạo áp suất cho pít-tông, chúng tôi sẽ lấp đầy nó bằng mẻ nước biển tiếp theo. “Vì vậy, thay vì một bên của pít-tông về cơ bản là không gian chết, chúng tôi đang sử dụng chính nước biển để lấy hai nhiệm vụ ra khỏi pít-tông này, vì vậy hầu như không có thời gian ngừng hoạt động.

“Theo các mô hình của chúng tôi, hệ thống được đề xuất này cung cấp mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất từ ​​trước đến nay để khử mặn nước biển. Đó là một cột mốc tốt nhất trong lớp. "

Nghiên cứu của họ đã được xuất bản trongKhử muối (GG quot; Cấu hình thẩm thấu ngược hàng loạt tác động kép cho hiệu quả tốt nhất trong phân khúc và thời gian ngừng hoạt động thấp").

Sandra Cordoba, một sinh viên thạc sĩ tại Purdue về kỹ thuật cơ khí và là tác giả đầu tiên của bài báo cho biết: “Thời gian ngừng hoạt động thực sự là điều bạn muốn tránh. “Nếu bạn phải bảo dưỡng hệ thống sau mỗi chu kỳ, bạn sẽ mất tất cả hiệu quả sử dụng năng lượng. Giảm hoặc loại bỏ thời gian ngừng hoạt động đó là điều quan trọng giúp khả năng chống thấm ngược hàng loạt ”.

Cordoba cũng đã phát triển các mô hình thủy lực lý thuyết được sử dụng trong bài báo.

Cordoba nói: “Thẩm thấu ngược là một quá trình phức tạp. “Để đánh giá sự thành công của nó, bạn phải theo dõi nhiều biến số: áp suất nước, khối lượng, độ mặn, tỷ lệ thu hồi, thời gian và năng lượng. Với những mô hình này, chúng tôi đã có thể xác định lượng áp suất phù hợp theo thời gian để đạt được kết quả tốt nhất bằng cách sử dụng lượng năng lượng tối thiểu ”.

Thùng pít-tông lớn bao nhiêu? Nó phụ thuộc vào kích thước của hệ thống.

Warsinger nói: “Thẩm thấu ngược hoạt động trên nhiều quy mô. “Các hộ gia đình ở Ấn Độ thường có một hệ thống thẩm thấu ngược siêu nhỏ cho nhà riêng của họ, nơi bạn có thể cầm trên tay. Đối với các thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi đã xây dựng một hệ thống mô hình trong đó bình pít-tông có kích thước bằng một bình chữa cháy. Trong một nhà máy quy mô lớn, nó có thể dài hàng trăm feet. Nhưng vẻ đẹp của nó là nó không phải là một thiết bị phức tạp; về cơ bản nó là một đường ống, với một piston kín nước ở giữa. Nhưng chiếc bình pít-tông đó thay đổi mọi thứ ”.

Phòng thí nghiệm của Warsinger đã sử dụng quá trình phát triển theo lô tác động kép này để cung cấp một số tiến bộ mới trong quá trình khử muối. Abhimanyu Das, một Tiến sĩ tại Purdue sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, đã xuất bản nghiên cứu mô tả một biến thể của quy trình được gọi là “thẩm thấu ngược dòng ngược theo lô”. Bằng cách tuần hoàn lại một số nồng độ nước nhất định trên cả hai mặt của màng, quy trình Das 'được chứng minh là quy trình khử muối tiết kiệm năng lượng nhất đối với nước có độ mặn cao, đồng thời yêu cầu ít thành phần hơn. Và Michael Roggenburg, sinh viên thạc sĩ của Purdue, đã công bố nghiên cứu cho thấy sự kết hợp giữa thẩm thấu ngược hàng loạt và năng lượng tái tạo có thể mang lại nước ngọt cho toàn bộ biên giới dài 1.954 dặm giữa Mỹ và Mexico.

Warsinger nói: “An ninh nguồn nước là một vấn đề lớn trên toàn thế giới, mà tôi đã dành cả sự nghiệp của mình để giải quyết. “Những kết quả này với phương pháp thẩm thấu ngược hàng loạt thực sự rất thú vị. Nếu chúng ta giảm chi phí xuống một chút, thì khử muối sẽ trở thành một lựa chọn khả thi cho nhiều nơi hơn. Nó có thể biến đổi. "