פריצת דרך באוסמוזה הפוכה עשויה להוביל להתפלת מי ים החסכונית ביותר אי פעם

(Nanowerk חדשות) הפקת מים מתוקים ממי ים דורשת בדרך כלל כמויות אדירות של אנרגיה. התהליך הנפוץ ביותר להתפלה נקרא אוסמוזה הפוכה, אשר פועלת על ידי הזרמת מי ים מעל קרום בלחץ גבוה להסרת המינרלים.

כעת, מהנדסי אוניברסיטת פרדו פיתחו גרסה של התהליך הנקרא "אוסמוזה הפוכה אצווהית", שמבטיח יעילות אנרגטית טובה יותר, ציוד ארוך טווח ויכולת לעבד מים בעלי מליחות גבוהה בהרבה. זה יכול בסופו של דבר להיות גורם הבדל באבטחת מים ברחבי העולם.

משתמשים באוסמוזה הפוכה במדינות רבות; במקומות צחיחים כמו המזרח התיכון, יותר ממחצית מאספקת מי השתייה הטריים מגיעה ממתקני התפלה. אך כדי לשמור על רמת הלחץ הגבוהה הנדרשת לתהליך - עד פי 70 לחץ אטמוספרי - על מתקן התפלה להעסיק מספר רב של משאבות וציוד אחר. וזה משתמש באנרגיה רבה.

"כשליש מעלות חייו של מתקן התפלה הוא אנרגיה", אמר דייוויד ורסינגר, פרופסור לפרדו להנדסת מכונות. "אפילו שיפורים קטנים בתהליך - הבדל של כמה נקודות אחוז - יכולים לחסוך מאות מיליוני דולרים ולעזור לשמור על CO2 מחוץ לאטמוספרה."

במהלך עבודת הדוקטורט שלו ב- MIT פיתח ורסינגר לראשונה את הרעיון של "אוסמוזה הפוכה אצווהית". במקום לשמור על זרימה קבועה של מי ים באותן רמות לחץ גבוהות, תהליך אצווה לוקח כמות מוגדרת של מים בבת אחת; מעבד את זה; משחרר אותו; ואז חוזר על התהליך עם האצווה הבאה.

"כל אצווה פועלת כדקה-שתיים," אמר ורסינגר. "אנו מגבירים את הלחץ לאורך זמן, מורידים את הנפח לאורך זמן, ובסופו של דבר אנו משתמשים בהרבה פחות אנרגיה כדי לייצר כמות זהה של מים מתוקים."

הסטודנטים לתארים מתקדמים אבימיאנו דאס (משמאל) ואקשיי ראו מכוונים מיכל בוכנה, מרכיב המפתח לתהליך התפלת חדש המכונה "אוסמוזה הפוכה אצווה כפולה". (תמונה: ג'ארד פייק, אוניברסיטת פרדו)

אף על פי שחלק ממפעלי ההתפלה ניסו להשתמש בטכניקות חצי-אצווה, אף אחד לא יישם מעולם מערכת אצווה מלאה - בין השאר בגלל הפסקות הזמן בין המנה למנה.

"לוקח זמן ואנרגיה לשאוב כל מנת מים החוצה, ואז לשאוב את מנת המים הבאה לעיבוד," אמר ורסינגר. "הוצאת זמן ואנרגיה בדרך כלל מבטלת את רווחי היעילות שתקבל משימוש בתהליך האצווה. זו הסיבה שפיתחנו פתרון שנקרא 'אוסמוזה הפוכה אצווה כפולה.' "

בוכנה כפולה

בתהליך חדש זה משתמשים במיכל בוכנה - כלי בלחץ גבוה ובוכנה באמצע. בעוד שצד אחד של הבוכנה שולח מי ים קדימה אל תוך לולאת העיבוד, הצד השני של הבוכנה מתמלא בו זמנית עם מנת הים הבאה הבאה בתור. כאשר תהליך אצווה אחד מסתיים, הבוכנה מזריקה את מערך מי הים הבא בצורה חלקה למערכת, ובו זמנית ממלאת את צידה השני עם המנה הבאה של מי ים בתור, והתהליך חוזר על עצמו ברציפות.

"במקום לרוקן את הבוכנה במלואה בכל פעם או להשתמש באיזה נוזל או גז אחר כדי ללחוץ על הבוכנה, אנו ממלאים אותה במיץ הים הבא", אמר ורסינגר. "אז במקום שצד אחד של הבוכנה הוא למעשה שטח מת, אנו משתמשים במי הים עצמם בכדי להוציא תפקוד כפול מהבוכנה הזו, כך שכמעט ואין זמן השבתה.

"על פי המודלים שלנו, מערכת מוצעת זו מציעה את צריכת האנרגיה הנמוכה ביותר אי פעם להתפלת מי ים. זה אבן דרך מהשורה הטובה ביותר. "

המחקר שלהם פורסם בהַתפָּלָה (GG quot; תצורת אוסמוזה הפוכה אצווה כפולה לפעולה ליעילות הטובה ביותר בכיתה ול-" בהשבתה נמוכה;).

"זמן השבתה הוא באמת משהו שרוצים להימנע ממנו," אמרה סנדרה קורדובה, סטודנטית לתואר שני בפרדו בהנדסת מכונות ומחברת העיתון הראשונה. "אם אתה צריך לשרת את המערכת לאחר כל מחזור, אתה מאבד את כל יעילות האנרגיה שלך. צמצום או ביטול זמן ההשבתה הוא הדבר המרכזי שהופך את האוסמוזה ההפוכה בקבוצות לביצועית. "

קורדובה פיתחה גם את המודלים ההידראוליים התיאורטיים המשמשים בעיתון.

"אוסמוזה הפוכה היא תהליך מורכב," אמר קורדובה. "כדי לאמוד את הצלחתה, עליך לעקוב אחר משתנים רבים: לחץ מים, נפח, מליחות, יחס התאוששות, זמן ואנרגיה. בעזרת מודלים אלה הצלחנו לקבוע את כמות הלחץ הנכונה לאורך זמן להשגת התוצאות הטובות ביותר תוך שימוש בכמות האנרגיה המינימלית. "

כמה גדול מיכל הבוכנה? זה תלוי בגודל המערכת.

"אוסמוזה הפוכה פועלת במגוון רחב של מאזניים", אמר ורסינגר. "למשקי בית בהודו יש לעתים קרובות מערכת אוסמוזה הפוכה מיקרו לבית משלהם, שם תוכל להחזיק אותה בידיים שלך. לצורך הניסויים שלנו, בנינו מערכת מודלים שבה מיכל הבוכנה בגודל של מטף כיבוי. במפעל בקנה מידה מלא יכול להיות שאורכו מאה מטרים. אך היופי בכך הוא שלא מדובר בציוד מורכב; זה בעצם צינור, ובוכנה אטומה למים באמצע. אבל מיכל הבוכנה הזה משנה הכל. "

המעבדה של ורסינגר השתמשה בפיתוח אצווה כפול-פעולה זה כדי לתדלק כמה התקדמות חדשה בהתפלה. Abhimanyu Das, תואר דוקטור בפרדו. סטודנט להנדסת מכונות, פרסם מחקר המתאר גרסה של התהליך המכונה "אוסמוזה הפוכה נגד זרימת אצווה". על ידי סירקולציה של ריכוזי מים מסוימים משני צידי הקרום, התהליך של Das מוצג כתהליך ההתפלה החסכוני ביותר למים עם מליחות גבוהה, תוך שהוא דורש פחות רכיבים. וסטודנט לתואר שני של פורדו, מייקל רוגגנבורג, פרסם מחקרים שהראו ששילוב של אוסמוזה הפוכה באנרגיה ואנרגיה מתחדשת יכול להעלות על הדעת מים מתוקים לכל גבול 1,954 קילומטר בין ארה"ב למקסיקו.

"אבטחת מים היא נושא עצום ברחבי העולם, ובו הקדשתי את כל הקריירה שלי", אמר ורסינגר. "תוצאות אלו עם אוסמוזה הפוכה אצווהית הן באמת מרגשות. אם אנו מורידים את העלות רק מעט, אז התפלה הופכת לאפשרות בת קיימא עבור מקומות נוספים. זה יכול להיות טרנספורמטיבי. ”