دستیابی به موفقیت در اسمز معکوس ممکن است منجر به صرفه جویی در مصرف آب شیرین کن آب دریا شود

(اخبار Nanowerk) تولید آب شیرین از آب دریا معمولاً به مقدار زیادی انرژی نیاز دارد. گسترده ترین فرآیند شیرین سازی اسمز معکوس نام دارد که با جریان یافتن آب دریا روی غشایی با فشار زیاد برای از بین بردن مواد معدنی کار می کند.

اکنون ، مهندسان دانشگاه پوردو گونه ای از فرآیند به نام "اسمز معکوس دسته ای" را ایجاد کرده اند که نوید بهره وری انرژی بهتر ، تجهیزات با دوام بیشتر و توانایی پردازش آب با شوری بسیار بالاتر را می دهد. در نهایت می تواند در امنیت آب در سراسر جهان یک تفاوت ایجاد کند.

از اسمز معکوس در بسیاری از کشورها استفاده می شود. در مناطق خشک مانند خاورمیانه ، بیش از نیمی از منابع آب آشامیدنی شیرین از تأسیسات آب شیرین کن تأمین می شود. اما برای حفظ سطح بالای فشار مورد نیاز برای فرآیند - تا 70 برابر فشار اتمسفر - یک دستگاه آب شیرین کن باید تعداد زیادی پمپ و تجهیزات دیگر را به کار گیرد. و این انرژی زیادی را مصرف می کند.

دیوید وارسینگر ، استادیار مهندسی مکانیک پوردو گفت: "حدود یک سوم هزینه عمر یک دستگاه آب شیرین کن انرژی است." "حتی پیشرفت های اندک در روند - چند درصد اختلاف - می تواند صدها میلیون دلار صرفه جویی کند و به جلوگیری از CO2 در جو کمک کند."

در طول کار دکترای خود در MIT ، وارسینگر ابتدا ایده "اسمز معکوس دسته ای" را ایجاد کرد. به جای نگه داشتن جریان ثابت آب دریا در آن سطح فشار بالا ، یک فرایند دسته ای مقداری آب را در یک زمان مصرف می کند. پردازش آن تخلیه می کند و سپس روند را با دسته بعدی تکرار می کند.

وارسینگر گفت: "هر دسته حدود یک تا دو دقیقه اجرا می شود." "ما با گذشت زمان فشار را افزایش می دهیم ، حجم را با گذشت زمان کاهش می دهیم و در نهایت انرژی کمتری را برای تولید همان مقدار آب شیرین استفاده می کنیم."

دانشجویان تحصیلات تکمیلی Abhimanyu Das (سمت چپ) و Akshay Rao یک مخزن پیستون را تنظیم می کنند ، که م keyلفه اصلی یک فرآیند جدید نمک زدایی به نام "اسمز معکوس دسته ای دو عمل" است. (تصویر: جارد پایک ، دانشگاه پردو)

اگرچه برخی از کارخانه های آب شیرین کن سعی در استفاده از تکنیک های نیمه دسته ای داشته اند ، اما هیچ یک از آنها سیستم دسته ای کاملی را اجرا نکرده اند - بخشی از آن به دلیل وقفه های زمانی بین دسته ها است.

وارسینگر گفت: "زمان و انرژی لازم است تا هر دسته آب به بیرون پمپ شود و سپس دسته بعدی آب برای پردازش پمپ شود." وی افزود: "صرف این زمان و انرژی به طور کلی سودهای حاصل از استفاده از فرآیند دسته ای را لغو می کند. به همین دلیل ما یک راه حل به نام "اسمز معکوس دسته ای دو برابر" ایجاد کردیم. "

پیستون دو وظیفه

در این فرآیند جدید از یک مخزن پیستون - یک مخزن فشار قوی با یک پیستون در وسط استفاده می شود. در حالی که یک طرف پیستون آب دریا را به داخل حلقه پردازش می فرستد ، طرف دیگر پیستون به طور همزمان با دسته بعدی آب دریا در صف پر می شود. هنگامی که یک فرآیند دسته ای به پایان می رسد ، پیستون یکپارچه دسته بعدی آب دریا را به سیستم تزریق می کند در حالی که همزمان طرف دیگر خود را با دسته بعدی آب دریا در صف پر می کند و روند به طور مداوم تکرار می شود.

وارسینگر گفت: "به جای اینکه هر بار پیستون را به طور کامل تخلیه کنیم یا از مایع یا گاز دیگری برای فشار دادن پیستون استفاده کنیم ، ما آن را با دسته بعدی آب دریا پر می کنیم." "بنابراین به جای اینکه یک طرف پیستون اساساً فضای مرده ای باشد ، ما از آب دریا برای بیرون کشیدن وظیفه مضاعف از این پیستون استفاده می کنیم ، بنابراین تقریباً هیچ توقفی وجود ندارد.

"طبق مدلهای ما ، این سیستم پیشنهادی کمترین مصرف انرژی را برای شیرین سازی آب دریا ارائه می دهد. این یک نقطه عطف در کلاس است. "

تحقیقات آنها درنمک زدایی (GG quot؛ پیکربندی اسمز معکوس دسته ای دو عملکرده برای بهترین کارایی در کلاس و زمان کم خرابی"؛).

ساندرا کوردوبا ، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک و اولین نویسنده مقاله ، گفت: "زمان خرابی در واقع چیزی است که می خواهید از آن اجتناب کنید." اگر بعد از هر چرخه مجبور باشید به سیستم سرویس دهید ، تمام بازده انرژی خود را از دست می دهید. کاهش یا از بین بردن این زمان خرابی ، نکته اصلی است که اسمز معکوس دسته ای را عملی می کند. "

کوردوبا همچنین مدل های هیدرولیکی نظری مورد استفاده در مقاله را توسعه داده است.

کوردوبا گفت: "اسمز معکوس یک فرایند پیچیده است." "برای اندازه گیری موفقیت آن ، شما باید بسیاری از متغیرها را ردیابی کنید: فشار آب ، حجم ، شوری ، نسبت بازیابی ، زمان و انرژی. با استفاده از این مدل ها ، ما توانستیم میزان فشار مناسب را در طول زمان تعیین کنیم تا با استفاده از حداقل مقدار انرژی ، بهترین نتیجه را بگیریم. "

مخزن پیستون چقدر بزرگ است؟ این به اندازه سیستم بستگی دارد.

وارسینگر گفت: "اسمز معکوس در طیف وسیعی از مقیاس ها عمل می کند." "خانوارها در هند اغلب یک سیستم اسمز معکوس میکرو برای خانه خود دارند ، جایی که می توانید آن را در دستان خود بگیرید. برای آزمایشات خود ، ما یک سیستم مدل ساخته ایم که مخزن پیستون به اندازه یک خاموش کننده آتش است. در یک کارخانه در مقیاس کامل ، طول آن می تواند صد فوت باشد. اما زیبایی آن این است که این یک تجهیزات پیچیده نیست. این اساساً یک لوله است ، و یک پیستون ضد آب در وسط آن قرار دارد. اما آن مخزن پیستونی همه چیز را تغییر می دهد. "

آزمایشگاه وارسینگر از این توسعه دسته ای دوتایی استفاده کرده است تا چندین پیشرفت جدید در نمک زدایی را تأمین کند. Abhimanyu Das ، دکتر Purdue Ph.D. دانشجوی مهندسی مکانیک ، تحقیقاتی را در توصیف گونه ای از فرآیند به نام "اسمز معکوس جریان جریان متقابل" منتشر کرده است. با استفاده از گردش مجدد غلظت های معینی از آب در دو طرف غشا، ، فرآیند Das به عنوان کم مصرف ترین فرآیند آب شیرین کن برای آب با شوری بالا نشان داده شده است ، در حالی که به اجزای کمتری نیز نیاز دارد. و دانشجوی کارشناسی ارشد پوردو مایکل روگنبورگ تحقیقاتی را منتشر کرده است که نشان می دهد ترکیبی از اسمز معکوس دسته ای و انرژی های تجدید پذیر می تواند آب شیرین را به کل مرز 1،954 مایل بین ایالات متحده و مکزیک برساند.

وارسینگر گفت: "امنیت آب یک مسئله عظیم در سراسر جهان است که من تمام حرفه خود را صرف کار در آن کردم." "این نتایج با اسمز معکوس دسته ای واقعا هیجان انگیز است. اگر فقط اندکی هزینه را پایین بیاوریم ، آنگاه نمک زدایی به گزینه ای مناسب برای مکانهای بیشتر تبدیل می شود. می تواند تحول آفرین باشد. "