การพัฒนาระบบ Reverse Osmosis อาจนำไปสู่การแยกเกลือออกจากน้ำทะเลที่ประหยัดพลังงานที่สุดเท่าที่เคยมีมา

(ข่าวนาโนเวิร์คwe) การผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลมักต้องการพลังงานจำนวนมาก กระบวนการแยกเกลือออกจากเกลือที่แพร่หลายที่สุดเรียกว่า รีเวิร์สออสโมซิส ซึ่งทำงานโดยการไหลของน้ำทะเลผ่านเมมเบรนที่ความดันสูงเพื่อขจัดแร่ธาตุ

ตอนนี้ วิศวกรของมหาวิทยาลัย Purdue ได้พัฒนากระบวนการที่เรียกว่า "batch reverse osmosis" ซึ่งรับประกันประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่ดีขึ้น อุปกรณ์ที่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น และความสามารถในการแปรรูปน้ำที่มีความเค็มสูงกว่ามาก มันสามารถกลายเป็นผู้สร้างความแตกต่างในความมั่นคงทางน้ำทั่วโลก

รีเวิร์สออสโมซิสถูกใช้ในหลายประเทศ ในพื้นที่แห้งแล้ง เช่น ตะวันออกกลาง แหล่งน้ำดื่มสะอาดมากกว่าครึ่งมาจากโรงแยกเกลือออกจากน้ำทะเล แต่เพื่อรักษาระดับความดันสูงที่จำเป็นสำหรับกระบวนการ - สูงถึง 70 เท่าของความดันบรรยากาศ - โรงงานแยกเกลือออกจากเกลือต้องใช้เครื่องสูบน้ำและอุปกรณ์อื่น ๆ จำนวนมาก และใช้พลังงานมาก

David Warsinger ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลของ Purdue กล่าวว่า "ประมาณหนึ่งในสามของต้นทุนตลอดอายุการใช้งานของโรงงานกลั่นน้ำทะเลเป็นพลังงาน “แม้แต่การปรับปรุงเล็กน้อยในกระบวนการ – ความแตกต่างเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ – สามารถประหยัดเงินได้หลายร้อยล้านดอลลาร์และช่วยป้องกัน CO2 ออกจากบรรยากาศ”

ระหว่างทำงานระดับปริญญาเอกที่ MIT Warsinger ได้พัฒนาแนวคิดเรื่อง "batch reverse osmosis" เป็นครั้งแรก แทนที่จะรักษาการไหลของน้ำทะเลที่ระดับความดันสูงเหล่านั้นอย่างต่อเนื่อง กระบวนการแบบแบทช์จะใช้ปริมาณน้ำที่กำหนดไว้ในคราวเดียว ประมวลผล; ปล่อยมัน; แล้วทำซ้ำขั้นตอนกับชุดถัดไป

“แต่ละชุดทำงานประมาณหนึ่งถึงสองนาที” วอร์ซิงเงอร์กล่าว “เราเพิ่มแรงดันเมื่อเวลาผ่านไป ลดปริมาตรเมื่อเวลาผ่านไป และสุดท้ายเราก็ใช้พลังงานน้อยลงมากเพื่อผลิตน้ำจืดในปริมาณเท่าเดิม”

นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Abhimanyu Das (ซ้าย) และ Akshay Rao ปรับถังลูกสูบ ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญของกระบวนการแยกเกลือออกจากเกลือใหม่ที่เรียกว่า (ภาพ: Jared Pike มหาวิทยาลัย Purdue)

แม้ว่าโรงงานแยกเกลือออกจากเกลือบางแห่งพยายามใช้เทคนิคเซมิแบทช์ แต่ก็ไม่มีใครเคยใช้ระบบแบทช์แบบสมบูรณ์ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะการแบ่งเวลาระหว่างแบทช์

“ต้องใช้เวลาและพลังงานในการสูบน้ำแต่ละชุดออก จากนั้นจึงสูบน้ำชุดต่อไปเพื่อดำเนินการ” วอร์ซิงเงอร์กล่าว “การใช้เวลาและพลังงานนั้นโดยทั่วไปจะยกเลิกประสิทธิภาพที่คุณจะได้รับจากการใช้กระบวนการแบทช์ นั่นเป็นเหตุผลที่เราพัฒนาโซลูชันที่เรียกว่า 'การ Reverse Osmosis แบบ double-acting batch'”

ลูกสูบสองหน้าที่

กระบวนการใหม่นี้ใช้ถังลูกสูบ ซึ่งเป็นถังแรงดันสูงที่มีลูกสูบอยู่ตรงกลาง ในขณะที่ด้านหนึ่งของลูกสูบส่งน้ำทะเลไปข้างหน้าสู่วงจรการแปรรูป อีกด้านหนึ่งของลูกสูบจะเติมน้ำทะเลชุดถัดไปในคิวพร้อมกัน เมื่อกระบวนการชุดหนึ่งสิ้นสุดลง ลูกสูบจะฉีดน้ำทะเลชุดถัดไปเข้าสู่ระบบอย่างราบรื่น ในขณะเดียวกันก็เติมน้ำทะเลชุดถัดไปในคิวอีกด้านพร้อมกัน และกระบวนการจะทำซ้ำอย่างต่อเนื่อง

“แทนที่จะล้างลูกสูบจนหมดในแต่ละครั้ง หรือใช้ของเหลวหรือก๊าซอื่นเพื่ออัดแรงดันลูกสูบ เรากำลังเติมน้ำทะเลด้วยชุดต่อไป” นายวอร์ซิงเงอร์กล่าว “ดังนั้น แทนที่จะให้ลูกสูบด้านใดด้านหนึ่งเป็นช่องว่างโดยพื้นฐาน เรากำลังใช้น้ำทะเลเพื่อทำหน้าที่สองหน้าที่ออกจากลูกสูบนี้ ดังนั้นจึงแทบไม่มีเวลาหยุดทำงาน

“ตามแบบจำลองของเรา ระบบที่เสนอนี้มีการใช้พลังงานต่ำที่สุดสำหรับการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล มันเป็นก้าวที่ดีที่สุดในระดับเดียวกัน”

งานวิจัยของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ในกลั่นน้ำทะเล (GG quot;การกำหนดค่าระบบ Reverse Osmosis แบบ Double-acting เพื่อประสิทธิภาพที่ดีที่สุดในระดับเดียวกันและการหยุดทำงานต่ำ").

“การหยุดทำงานเป็นสิ่งที่คุณต้องการหลีกเลี่ยงจริงๆ” แซนดรา คอร์โดบา นักศึกษาปริญญาโทสาขาวิศวกรรมเครื่องกลของ Purdue และเป็นผู้เขียนบทความคนแรกกล่าว “หากคุณต้องซ่อมบำรุงระบบทุกรอบ คุณจะสูญเสียประสิทธิภาพการใช้พลังงานทั้งหมด การลดหรือกำจัดการหยุดทำงานนั้นเป็นกุญแจสำคัญที่ทำให้การ Reverse Osmosis เป็นไปได้”

คอร์โดบายังได้พัฒนาแบบจำลองไฮดรอลิกตามทฤษฎีที่ใช้ในบทความนี้

“รีเวิร์สออสโมซิสเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน” คอร์โดบากล่าว “เพื่อวัดความสำเร็จ คุณต้องติดตามตัวแปรหลายอย่าง: แรงดันน้ำ, ปริมาณ, ความเค็ม, อัตราส่วนการกู้คืน, เวลาและพลังงาน ด้วยแบบจำลองเหล่านี้ เราสามารถกำหนดปริมาณแรงดันที่เหมาะสมเมื่อเวลาผ่านไปเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดโดยใช้พลังงานขั้นต่ำ”

ถังลูกสูบใหญ่แค่ไหน? ขึ้นอยู่กับขนาดของระบบ

“รีเวิร์สออสโมซิสทำงานบนเครื่องชั่งที่หลากหลาย” วอร์ซิงเงอร์กล่าว “ครัวเรือนในอินเดียมักมีระบบรีเวิร์สออสโมซิสแบบไมโครสำหรับบ้านของตนเอง ซึ่งคุณสามารถถือไว้ในมือได้ สำหรับการทดลองของเรา เราได้สร้างระบบแบบจำลองโดยที่ถังลูกสูบมีขนาดประมาณเครื่องดับเพลิง ในโรงงานขนาดใหญ่ อาจยาวได้ถึงร้อยฟุต แต่ความสวยงามของมันคือไม่ใช่อุปกรณ์ที่ซับซ้อน โดยพื้นฐานแล้วมันคือท่อที่มีลูกสูบกันน้ำอยู่ตรงกลาง แต่ถังลูกสูบนั้นเปลี่ยนทุกอย่าง”

ห้องทดลองของ Warsinger ได้ใช้การพัฒนาแบบกลุ่มที่มีการแสดงสองทิศทางนี้เพื่อกระตุ้นความก้าวหน้าครั้งใหม่หลายอย่างในการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล Abhimanyu Das, ปริญญาเอก Purdue นักศึกษาสาขาวิศวกรรมเครื่องกลได้ตีพิมพ์งานวิจัยที่อธิบายถึงกระบวนการที่เรียกว่า "รีเวิร์สออสโมซิสย้อนกลับแบบแบทช์" โดยการหมุนเวียนน้ำที่มีความเข้มข้นบางอย่างบนทั้งสองด้านของเมมเบรน กระบวนการของ Das แสดงให้เห็นว่าเป็นกระบวนการแยกเกลือออกจากเกลือที่ประหยัดพลังงานที่สุดสำหรับน้ำที่มีความเค็มสูง ในขณะที่ต้องการส่วนประกอบน้อยลง และนักศึกษาปริญญาโทของ Purdue Michael Roggenburg ได้ตีพิมพ์งานวิจัยที่แสดงให้เห็นว่าการผสมผสานระหว่างระบบรีเวิร์สออสโมซิสและพลังงานหมุนเวียน มีความเป็นไปได้ที่จะส่งน้ำจืดไปยังพรมแดนทั้งหมด 1,954 ไมล์ระหว่างสหรัฐอเมริกาและเม็กซิโก

“ความมั่นคงทางน้ำเป็นปัญหาใหญ่ทั่วโลก ซึ่งผมใช้เวลาทั้งอาชีพในการทำงาน” วอร์ซิงเงอร์กล่าว “ผลลัพธ์ที่ได้จากระบบ Reverse Osmosis นั้นน่าตื่นเต้นมาก หากเราลดต้นทุนลงเพียงเล็กน้อย การแยกเกลือออกจากเกลือก็จะกลายเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับสถานที่อื่นๆ มากขึ้น มันสามารถเปลี่ยนแปลงได้”