逆浸透のブレークスルーは、これまでで最もエネルギー効率の高い海水淡水化につながる可能性があります

(ナノワークニュース) 海水から淡水を作るには、通常、膨大なエネルギーが必要です。淡水化のための最も広範なプロセスは、ミネラルを除去するために高圧で膜の上に海水を流すことによって動作する逆浸透と呼ばれています。

現在、パデュー大学のエンジニアは、より良いエネルギー効率、より長持ちする機器、はるかに高い食分の水を処理する能力を約束する「バッチ逆浸透」と呼ばれるプロセスの変種を開発しました。それは世界中の水安全保障の違いメーカーになる可能性があります。

逆浸透は多くの国で使用されています。中東のような乾燥した場所では、淡水化施設からの飲料水供給の半分以上が供給されています。しかし、プロセスに必要な高レベルの圧力(最大70倍の大気圧)を維持するには、海水淡水化プラントは多数のポンプやその他の機器を採用する必要があります。そして、それは多くのエネルギーを使用します。

「淡水化プラントの生涯コストの約3分の1はエネルギーです」と、機械工学のパーデュー助教授であるデビッド・ウォーシンガーは述べています。「プロセスのわずかな改善(数パーセントの差)でさえ、数億ドルを節約し、CO2を大気から守るのに役立ちます。

MITでの博士課程の仕事の間に、ウォーシンガーは最初に「バッチ逆浸透」という考えを開発しました。海水の流れを一定の高気圧レベルに保つのではなく、バッチ処理で一定量の水を一度に取り込みます。それを処理します。それを排出する。次に、次のバッチでプロセスを繰り返します。

「各バッチは約1〜2分間実行されます」と、Warsingerが言いました。「時間の経過とともに圧力を高め、時間の経過とともに量を減らし、同じ量の淡水を生成するためにはるかに少ないエネルギーを使うことになる」。

大学院生のアビマニュ・ダスさん(左)とアクシャイ・ラオ氏は、「二重作用バッチ逆浸透」と呼ばれる新しい淡水化プロセスの重要な構成要素であるピストンタンクを調整する。(画像:パデュー大学ジャレッド・パイク)                

一部の淡水化プラントはセミバッチ技術を使用しようとしましたが、バッチ間の時間切れもあって、完全なバッチシステムを実装した人はいません。

「水の各バッチをポンプアウトし、処理のために水の次のバッチをポンプで送り込むには時間とエネルギーが必要です」と、Warsingerが言いました。「時間とエネルギーを消費すると、一般的にバッチ処理を使用して得られる効率の向上を取り消します。そのため、「二重作用型バッチ逆浸透」というソリューションを開発しました。

ダブルデューティピストン

この新しいプロセスでは、ピストンタンク(ピストンを中心にした高圧容器)を使用します。ピストンの片側が海水を処理ループに送り込む間、ピストンのもう一方の側は同時にキュー内の次の海水のバッチで満たされます。1つのバッチプロセスが終了すると、ピストンはシームレスにシステムに海水の次のバッチを注入しながら、同時にキュー内の海水の次のバッチで他方の側を充填し、プロセスは連続的に繰り返されます。

「毎回ピストンを完全に空にしたり、他の液体やガスを使ってピストンを加圧する代わりに、次の海水のバッチで満たしています」とWarsinger氏は述べています。「ピストンの片側が本質的にデッドスペースであるのではなく、海水自体を使ってこのピストンから二重の義務を引き出すので、ダウンタイムはほとんどありません。

「当社のモデルによると、この提案されたシステムは海水淡水化のためのこれまでで最も低いエネルギー消費を提供しています。クラス最高のマイルストーンです」

彼らの研究は、脱塩(「クラス最高の効率と低いダウンタイムのための二重作用バッチ逆浸透構成」).

「ダウンタイムは本当に避けたいものです」と、パデュー修士課程の機械工学の学生で、論文の最初の著者であるサンドラ・コルドバは言いました。「サイクルを切り替えてシステムにサービスを提供しなければならない場合は、すべてのエネルギー効率が失われます。ダウンタイムを削減または排除することが、バッチ逆浸透を実現する重要な要素です。

コルドバはまた、論文で使用される理論的な油圧モデルを開発しました。

「逆浸透は複雑なプロセスです」とコルドバは言いました。「その成功を測るためには、水圧、体積、水分量、回収率、時間とエネルギーなど、多くの変数を追跡する必要があります。これらのモデルを使用して、時間の経過に伴う適切な圧力量を決定し、最小エネルギー量を使用して最良の結果を得ることができました。

ピストンタンクの大きさは?システムのサイズによって異なります。

「逆浸透は幅広いスケールで動作します」と、ウォーシンガーが言いました。「インドの家庭には、自宅用のマイクロ逆浸透システムが多く、手に持つことができます。実験では、ピストンタンクが消火器ほどの大きさのモデルシステムを構築しました。本格的な工場では、長さ100フィートになる可能性があります。しかし、それの美しさは、それが機器の複雑な部分ではないということです。それは本質的にパイプで、真ん中に水密ピストンがあります。しかし、そのピストンタンクは、すべてを変えます。

Warsingerの研究室は、この二重作用型バッチ開発を使用して、海水淡水化のいくつかの新しい進歩を促進しました。機械工学のパデュー博士課程の学生であるアビマニュ・ダスは、「バッチカウンターフロー逆浸透」と呼ばれるプロセスの変種を記述する研究を発表しました。膜の両側に特定の濃度の水を再循環させることで、ダスのプロセスは、より少ない成分を必要としながら、高塩分水の最もエネルギー効率の良い淡水化プロセスであることが示されています。そして、パーデュー修士課程の学生マイケル・ローゲンブルクは、バッチ逆浸透と再生可能エネルギーの組み合わせが、米国とメキシコの間の1,954マイルの国境全体に淡水を供給する可能性があることを示す研究を発表しました。

「水のセキュリティは世界中の大きな問題であり、私は私のキャリア全体を取り組んできました」と、Warsingerが言いました。「バッチ逆浸透のこれらの結果は本当にエキサイティングです。コストを少しだけ下げれば、海水淡水化はより多くの場所にとって実行可能な選択肢になります。それは変革的かもしれません。