Durchbruch bei der Umkehrosmose könnte zur energieeffizientesten Meerwasserentsalzung aller Zeiten führen

(Nanowerk-Neuigkeiten) Die Herstellung von Süßwasser aus Meerwasser erfordert in der Regel sehr viel Energie. Das am weitesten verbreitete Verfahren zur Entsalzung wird als Umkehrosmose bezeichnet, bei der Meerwasser mit hohem Druck über eine Membran geleitet wird, um die Mineralien zu entfernen.

Nun haben die Ingenieure der Purdue University eine Variante des Verfahrens namens „Batch-Umkehrosmose“ entwickelt, die eine bessere Energieeffizienz, langlebigere Geräte und die Fähigkeit zur Verarbeitung von Wasser mit viel höherem Salzgehalt verspricht. Es könnte zu einem entscheidenden Faktor für die Wassersicherheit auf der ganzen Welt werden.

Umkehrosmose wird in vielen Ländern verwendet; In trockenen Gebieten wie dem Nahen Osten stammt mehr als die Hälfte des frischen Trinkwassers aus Entsalzungsanlagen. Um jedoch den für den Prozess erforderlichen hohen Druck – bis zum 70-fachen des Atmosphärendrucks – aufrechtzuerhalten, muss eine Entsalzungsanlage eine Vielzahl von Pumpen und anderen Geräten einsetzen. Und das verbraucht viel Energie.

„Etwa ein Drittel der Lebenszeitkosten einer Entsalzungsanlage entfällt auf Energie“, sagt David Warsinger, Purdue-Assistenzprofessor für Maschinenbau. „Selbst kleine Verbesserungen des Prozesses – ein paar Prozentpunkte Unterschied – können Hunderte Millionen Dollar einsparen und dazu beitragen, CO2 aus der Atmosphäre fernzuhalten.“

Während seiner Doktorarbeit am MIT entwickelte Warsinger erstmals die Idee der „Batch-Umkehrosmose“. Anstatt einen konstanten Meerwasserfluss auf diesen hohen Druckniveaus aufrechtzuerhalten, nimmt ein Batch-Prozess eine festgelegte Wassermenge auf einmal auf; verarbeitet es; entlädt es; und wiederholt den Vorgang dann mit der nächsten Charge.

„Jede Charge läuft etwa ein bis zwei Minuten“, sagte Warsinger. „Wir erhöhen den Druck im Laufe der Zeit, reduzieren das Volumen im Laufe der Zeit und verbrauchen am Ende viel weniger Energie, um die gleiche Menge Frischwasser zu produzieren.“

Die Doktoranden Abhimanyu Das (links) und Akshay Rao stellen einen Kolbentank ein, die Schlüsselkomponente für einen neuen Entsalzungsprozess namens „doppeltwirkende Batch-Umkehrosmose“. (Bild: Jared Pike, Purdue University)

Obwohl einige Entsalzungsanlagen versucht haben, Semibatch-Techniken zu verwenden, hat keine jemals ein vollständiges Batch-System implementiert – teilweise wegen der Zeitpausen zwischen den Chargen.

„Es kostet Zeit und Energie, jede Wassercharge herauszupumpen und dann die nächste Wassercharge zur Verarbeitung hineinzupumpen“, sagte Warsinger. „Dieser Zeit- und Energieaufwand macht die Effizienzgewinne, die Sie durch den Batch-Prozess erzielen würden, im Allgemeinen zunichte. Aus diesem Grund haben wir eine Lösung namens ‚doppeltwirkende Batch-Umkehrosmose‘ entwickelt.“

Doppelt belastbarer Kolben

Dieses neue Verfahren verwendet einen Kolbentank – einen Hochdruckbehälter mit einem Kolben in der Mitte. Während eine Seite des Kolbens Meerwasser nach vorne in den Verarbeitungskreislauf schickt, füllt sich die andere Seite des Kolbens gleichzeitig mit der nächsten Seewassercharge in der Warteschlange. Wenn ein Chargenprozess endet, spritzt der Kolben nahtlos die nächste Charge Meerwasser in das System ein, während er gleichzeitig seine andere Seite mit der nächsten Charge Meerwasser in der Warteschlange befüllt, und der Prozess wiederholt sich kontinuierlich.

„Anstatt den Kolben jedes Mal vollständig zu entleeren oder eine andere Flüssigkeit oder ein anderes Gas zu verwenden, um den Kolben unter Druck zu setzen, füllen wir ihn mit der nächsten Charge Meerwasser“, sagte Warsinger. „Anstatt also eine Seite des Kolbens im Wesentlichen aus Totraum zu machen, verwenden wir das Meerwasser selbst, um diesen Kolben doppelt zu belasten, sodass es fast keine Ausfallzeiten gibt.

„Laut unseren Modellen bietet dieses vorgeschlagene System den niedrigsten Energieverbrauch, der jemals für die Meerwasserentsalzung verbraucht wurde. Es ist ein Best-in-Class-Meilenstein.“

Ihre Forschung wurde veröffentlicht inEntsalzung (GG quot;Doppeltwirkende Batch-Umkehrosmose-Konfiguration für erstklassige Effizienz und geringe Ausfallzeiten").

„Ausfälle sind wirklich etwas, das man vermeiden möchte“, sagt Sandra Cordoba, Purdue-Masterstudentin im Maschinenbau und Erstautorin des Artikels. „Wenn Sie das System nach jedem Zyklus warten müssen, verlieren Sie Ihre gesamte Energieeffizienz. Die Reduzierung oder Eliminierung dieser Ausfallzeiten ist der Schlüssel, der die Batch-Umkehrosmose möglich macht.“

Cordoba entwickelte auch die in der Arbeit verwendeten theoretischen hydraulischen Modelle.

„Umkehrosmose ist ein komplexer Prozess“, sagte Cordoba. „Um seinen Erfolg zu messen, müssen Sie viele Variablen verfolgen: Wasserdruck, Volumen, Salzgehalt, Erholungsverhältnis, Zeit und Energie. Mit diesen Modellen konnten wir im Laufe der Zeit den richtigen Druck bestimmen, um mit minimalem Energieaufwand die besten Ergebnisse zu erzielen.“

Wie groß ist der Kolbentank? Es hängt von der Größe des Systems ab.

„Umkehrosmose funktioniert in einer Vielzahl von Größenordnungen“, sagte Warsinger. „Haushalte in Indien haben oft eine Mikro-Umkehrosmose-Anlage für ihr eigenes Zuhause, wo man sie in den Händen halten könnte. Für unsere Experimente haben wir eine Modellanlage gebaut, bei der der Kolbentank etwa die Größe eines Feuerlöschers hat. In einer Großanlage könnte es 30 Meter lang sein. Aber das Schöne daran ist, dass es sich nicht um ein komplexes Gerät handelt; Es ist im Wesentlichen ein Rohr mit einem wasserdichten Kolben in der Mitte. Aber dieser Kolbentank verändert alles.“

Das Labor von Warsinger hat diese doppeltwirkende Chargenentwicklung genutzt, um mehrere neue Fortschritte bei der Entsalzung zu erzielen. Abhimanyu Das, ein Purdue Ph.D. Maschinenbaustudent, hat eine Studie veröffentlicht, in der eine Variante des Verfahrens beschrieben wird, die als „Batch-Gegenstrom-Umkehrosmose“ bezeichnet wird. Durch die Rezirkulation bestimmter Wasserkonzentrationen auf beiden Seiten der Membran erweist sich das Verfahren von Das als das energieeffizienteste Entsalzungsverfahren für hochsalzhaltiges Wasser, während es weniger Komponenten benötigt. Und Purdue-Masterstudent Michael Roggenburg hat Forschungsergebnisse veröffentlicht, die zeigen, dass eine Kombination aus Batch-Umkehrosmose und erneuerbarer Energie möglicherweise Frischwasser an die gesamte 1.954 Meilen lange Grenze zwischen den USA und Mexiko liefern könnte.

„Wassersicherheit ist auf der ganzen Welt ein riesiges Thema, an dem ich meine ganze Karriere gearbeitet habe“, sagte Warsinger. „Diese Ergebnisse mit Batch-Umkehrosmose sind wirklich aufregend. Wenn wir die Kosten nur ein wenig senken, wird die Entsalzung für mehr Orte eine praktikable Option. Es könnte transformierend sein.“