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普渡大学开发出 “批量反渗透” 工艺变体,可使海水淡化过程消耗最低能源

2021-06-11 15:00:00 浏览数:

从海水中制造淡水通常需要大量的能源。最广泛的海水淡化过程被称为反渗透,其工作原理是让海水在高压下流过一个膜,以去除矿物质。现在,普渡大学的工程师们已经开发出一种被称为 "批量反渗透 "的工艺变体,它有望获得更好的能源效率、更持久的设备以及处理更高盐度的水的能力。

普渡大学开发出 “批量反渗透” 工艺变体,可使海水淡化过程消耗最低能源

从海水中制造淡水通常需要大量的能源。最广泛的海水淡化过程被称为反渗透,其工作原理是让海水在高压下流过一个膜,以去除矿物质。

现在,普渡大学的工程师们已经开发出一种被称为 "批量反渗透 "的工艺变体,它有望获得更好的能源效率、更持久的设备以及处理更高盐度的水的能力。它可能最终成为全世界水安全的一个改变者。

许多国家都在使用反渗透技术,在中东等干旱地区,一半以上的淡水供应来自海水淡化设施。但是,为了保持该过程所需的高水平压力(高达70倍的大气压力)海水淡化厂必须使用大量的泵和其他设备。而这需要消耗大量的能源。

普渡大学机械工程系助理教授David Warsinger说:"海水淡化厂的寿命成本中大约有三分之一是能源。即使是对工艺的微小改进,哪怕只有几个百分点的差异也能节省数亿美元,并有助于将二氧化碳排除在大气之外。"

在麻省理工学院读博士期间,Warsinger首次提出了 "批量反渗透 "的想法。批量工艺不是在那些高压水平上保持恒定的海水流量,而是一次摄入一定数量的水,对其进行处理,将其排出,然后在下一个批次中重复这一过程。

Warsinger说:"每批水运行大约一到两分钟。我们随着时间的推移提高压力,随着时间的推移减少体积,我们最终使用更少的能源来生产相同数量的淡水。"

尽管一些海水淡化厂已经尝试使用半批处理技术,但没有一家工厂实施过全批处理系统,部分原因是批次之间的时间间隔。

Warsinger说:"把每一批水抽出来,然后再把下一批水抽进去进行处理,这需要时间和精力。花费这些时间和能源通常会抵消你从使用批量工艺中获得的效率提升。这就是为什么我们开发了一种叫做'双效批量反渗透'的解决方案。"

这种新工艺使用一个活塞罐——中间有一个活塞的高压容器。当活塞的一侧将海水向前送入处理回路时,活塞的另一侧同时充满了队列中的下一批海水。当一个批处理结束时,活塞无缝地将下一批海水注入系统,同时用队列中的下一批海水填充其另一侧,这个过程不断重复。

普渡大学开发出 “批量反渗透” 工艺变体,可使海水淡化过程消耗最低能源_1

(图片来源:国际水展中心-公众号,侵删)

Warsinger说:"我们不是每次都把活塞完全排空,或使用一些其他液体或气体来给活塞加压,而是用下一批海水来填充它。因此,与其说活塞的一侧基本上是死角,不如说我们是利用海水本身来获得这个活塞的双重作用,所以几乎没有停机时间。"

根据我们的模型,这个拟议的系统提供了有史以来最低的海水淡化能源消耗。这是一个最佳的里程碑。

他们的研究已经发表在《脱盐》上。

普渡大学机械工程专业硕士生、论文第一作者Sandra Cordoba认为,停工时间是每一个供应商想避免的事情。如果你不得不在每个周期后对系统进行维修,你就会失去所有的能源效率。减少或消除这种停机时间是使批量反渗透技术可行的关键所在。

Cordoba还开发了论文中使用的理论水力模型。

反渗透是一个复杂的过程,为了衡量它的成功,你必须跟踪许多变量:水压、体积、盐度、回收率、时间和能量。有了这些模型,我们能够确定随着时间推移的正确压力,以使用最少的能量达到最佳效果。

活塞池有多大?这取决于系统的大小。

反渗透的操作规模很广,Warsinger说,印度的家庭往往有一个微型反渗透系统,供他们自己的家庭使用,你可以把它拿在手里。在我们的实验中,我们已经建立了一个模型系统,其中活塞罐大约有一个灭火器那么大。在一个完整的工厂里,它可能有一百英尺长。但它的好处是,它不是一个复杂的设备,它基本上是一个管道,中间有一个水密的活塞。但是那个活塞罐改变了一切。

Warsinger的实验室已经利用这种双作用批次的开发来推动海水淡化方面的一些新进展。

普渡大学机械工程专业的博士生Abhimanyu Das发表了研究报告,描述了该过程的一个变体,称为 "批量逆流反渗透"。通过在膜的两侧重新循环一定浓度的水,Das的工艺被证明是高盐度水的最节能的脱盐工艺,同时需要更少的组件。

而普渡大学的硕士生Michael Roggenburg发表的研究表明,批量反渗透和可再生能源的结合可以想象为美国和墨西哥之间1954英里的整个边界提供淡水。

Warsinger说:"水安全是全世界的一个巨大问题,我的整个职业生涯都在研究这个问题。批量反渗透的这些结果真的很令人激动。如果我们把成本降低一点点,那么海水淡化就会成为更多地方的一个可行的选择。它可能是变革性的。"

(文章来源:国际水展中心-公众号,侵删)

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