역삼투압의 돌파구는 에너지 효율이 가장 큰 해수 담수화로 이어질 수 있습니다.

(나노베르크 뉴스) 바닷물에서 담수를 만드는 것은 일반적으로 엄청난 양의 에너지가 필요합니다. 담수화에 대한 가장 광범위한 과정은 미네랄을 제거하기 위해 고압의 멤브레인을 통해 바닷물을 흐르는 것으로 작동하는 역 삼투압이라고합니다.

이제 Purdue 대학 엔지니어는 더 나은 에너지 효율, 오래 지속되는 장비 및 훨씬 더 높은 염도의 물을 처리하는 기능을 약속하는 "배치 역 삼투압"이라는 프로세스의 변형을 개발했습니다. 그것은 전 세계의 물 보안에 차이 메이커를 끝낼 수 있습니다.

역 삼투압은 많은 국가에서 사용된다; 중동과 같은 건조한 지역에서는 담수화 시설에서 신선한 식수 공급의 절반 이상이 공급됩니다. 그러나 최대 70배의 대기압으로 공정에 필요한 높은 수준의 압력을 유지하려면 담수화 플랜트가 많은 수의 펌프 및 기타 장비를 사용해야 합니다. 그리고 그것은 많은 에너지를 사용합니다.

기계 공학의 Purdue 조교수 데이비드 워싱거는 "담수화 플랜트의 평생 비용의 약 3분의 1은 에너지입니다. "이 프로세스의 작은 개선조차도 몇 퍼센트의 차이로 인해 수억 달러를 절약하고 CO2를 대기에서 벗어나는 데 도움이 될 수 있습니다."

MIT에서 박사 학위를 취득하는 동안 워싱어는 먼저 "배치 역 삼투압"이라는 아이디어를 개발했습니다. 이러한 고압 수준에서 바닷물의 일정한 흐름을 유지하는 대신, 배치 공정은 한 번에 일정한 양의 물을 섭취합니다. 그것을 처리; 그것을 배출; 그런 다음 다음 일괄 처리로 프로세스를 반복합니다.

워싱거는 "각 배치는 약 1~2분 동안 진행됩니다. "우리는 시간이 지남에 따라 압력을 강화하고 시간이 지남에 따라 볼륨을 줄이며, 동일한 양의 담수를 생산하기 위해 훨씬 적은 에너지를 사용하게 됩니다."

대학원생 아비만누 다스(왼쪽)와 악셰이 라오는 "이중 작용 배치 역 삼투압"이라는 새로운 담수화 과정의 핵심 구성 요소인 피스톤 탱크를 조정합니다. (이미지: 자레드 파이크, 퍼듀 대학교)                

일부 담수화 플랜트는 반도체 기술을 사용하려고 시도했지만, 배치 간의 시간 중단으로 인해 전체 배치 시스템을 구현한 적이 없습니다.

워싱어는 "각 물을 펌핑한 다음 다음 처리를 위해 다음 배치의 물을 펌핑하는 데는 시간과 에너지가 필요합니다. "그 시간과 에너지를 소비하면 일반적으로 배치 프로세스를 사용하여 얻을 수 있는 효율성 향상을 취소합니다. 그래서 우리는 '이중 작용 배치 역 삼투압'이라는 솔루션을 개발했습니다."

더블 듀티 피스톤

이 새로운 프로세스는 피스톤 탱크를 사용합니다 - 중간에 피스톤이있는 고압 용기. 피스톤의 한쪽은 해수를 처리 루프로 앞으로 보내는 동안, 피스톤의 반대편은 동시에 대기열에 있는 해수의 다음 배치로 채웁니다. 한 배치 프로세스가 끝나면 피스톤은 다음 배치의 바닷물을 시스템에 원활하게 주입하는 동시에 대기열에 있는 다음 해수 배치로 다른 쪽을 채우고 프로세스가 계속 반복됩니다.

"매번 피스톤을 완전히 비우거나 다른 액체 나 가스를 사용하여 피스톤을 가압하는 대신 다음 해수 배치로 채우고 있습니다." 워싱어가 말했다. "그래서 피스톤의 한쪽이 본질적으로 죽은 공간인 대신, 우리는 바닷물 자체를 사용하여 이 피스톤에서 이중 관세를 내리고 있기 때문에 가동 중지 시간이 거의 없습니다.

"우리의 모델에 따르면,이 제안 된 시스템은 해수 담수화에 대한 사상 최저 에너지 소비를 제공합니다. 동급 최고의 이정표입니다."

그들의 연구는 에 간행되었습니다담수화("동급 최강의 효율과 낮은 가동 중지 시간을 위한 이중 작동 배치 역삼투 구성").

기계 공학 석사 학생이자 논문의 첫 번째 저자인 산드라 코르도바(Sandra Cordoba)는 "가동 중지 시간은 정말 피하고 싶은 일입니다. "매 주기 마다 시스템을 서비스해야 하는 경우 모든 에너지 효율을 잃게 됩니다. 가동 중지 시간을 줄이거나 제거하는 것이 일괄 처리 역 삼투압을 실현 가능하게 하는 중요한 것입니다."

코르도바도 종이에 사용되는 이론적 유압 모델을 개발했습니다.

코르도바 는 "역삼투는 복잡한 과정입니다. "성공을 측정하려면 수압, 부피, 살리니, 회수 비율, 시간 및 에너지와 같은 많은 변수를 추적해야 합니다. 이러한 모델을 통해 우리는 최소한의 에너지를 사용하여 최상의 결과를 달성하기 위해 시간이 지남에 따라 적절한 양의 압력을 결정할 수 있었습니다."

피스톤 탱크는 얼마나 큰가요? 그것은 시스템의 크기에 따라 달라집니다.

"역삼투압은 다양한 스케일에서 작동합니다." 워싱어가 말했다. "인도의 가정은 종종 자신의 가정을위한 마이크로 역 삼투압 시스템을 가지고, 당신은 당신의 손에 그것을 보유 할 수 있습니다. 실험을 위해 피스톤 탱크가 소화기 크기에 관한 모델 시스템을 구축했습니다. 본격적인 공장에서는 100피트 길이의 길이가 될 수 있습니다. 그러나 그것의 아름다움은 장비의 복잡한 조각이 아니라는 것입니다; 그것은 본질적으로 파이프, 중간에 물 꽉 피스톤. 하지만 그 피스톤 탱크는 모든 것을 바꿉니다."

Warsinger의 실험실은 담수화의 몇 가지 새로운 발전에 연료를 공급하기 위해이 이중 행동 배치 개발을 사용했다. 기계 공학의 Purdue 박사 과정 학생 인 Abhimanyu Das는 "배치 카운터 플로우 역 삼투압"이라는 프로세스의 변형을 설명하는 연구를 발표했습니다. 멤브레인의 양쪽에 특정 농도의 물을 재순환시킴으로써 Das의 공정은 염분이 적은 수에 가장 에너지 효율적인 담수화 공정으로 표시되며, 더 적은 성분을 필요로 합니다. 퍼듀 석사 학생 마이클 로겐버그는 배치 역 삼투압과 재생 에너지의 조합이 미국과 멕시코 사이의 전체 1,954 마일 국경에 담수를 제공 할 수 있음을 보여주는 연구를 발표했다.

워싱어는 "물 보안은 전 세계적으로 큰 이슈로, 저는 평생 을 일했습니다. "배치 역 삼투압이 있는 이러한 결과는 정말 흥미롭습니다. 비용을 조금 만드시면 담수화는 더 많은 장소에서 실행 가능한 옵션이 됩니다. 그것은 변형 될 수 있습니다."