تهیه آب شیرین از آب دریا معمولاً به مقدار زیادی انرژی نیاز دارد. گسترده ترین فرآیند آب شیرین کن صنعتی ، اسمز معکوس نامیده می شود. که با جاری شدن آب دریا بر روی غشایی با فشار زیاد ، مواد معدنی را حذف می کند.
در حال حاضر ، مهندسان دانشگاه پردو نوعی از فرآیند به نام “اسمز معکوس دسته ای” را توسعه داده اند. که نوید بهره وری انرژی بهتر ، تجهیزات طولانی مدت و توانایی پردازش آب با شوری بسیار بیشتر را می دهد. این می تواند در امنیت آب در سراسر جهان تغییر ایجاد کند.
اسمز معکوس در بسیاری از کشورها استفاده می شود. در مناطق خشک مانند خاورمیانه ، بیش از نیمی از منابع آب آشامیدنی تازه از تأسیسات آب شیرین کن صنعتی تامین می شود. اما برای حفظ سطح بالای فشار مورد نیاز برای این فرایند – تا ۷۰ برابر فشار اتمسفر – یک کارخانه آب شیرین کن صنعتی باید تعداد زیادی پمپ و تجهیزات دیگر به کار گیرد. و این انرژی زیادی مصرف می کند.
دیوید وارسینگر ، استادیار مهندسی مکانیک پردو می گوید:
حدود یک سوم هزینه مادام العمر یک کارخانه آب شیرین کن انرژی است. حتی پیشرفتهای جزئی در این فرایند – چند درصد اختلاف – می تواند صدها میلیون دلار صرفه جویی کند. و به جلوگیری از دی اکسید کربن در جو کمک کند.
اسمز معکوس دسته ای چیست؟
در طول کار دکتری خود در MIT ، وارسینگر ابتدا ایده “اسمز معکوس دسته ای” را توسعه داد. به جای نگه داشتن جریان ثابت آب دریا در آن سطوح فشار بالا ، یک فرآیند دسته ای مقدار معینی آب را در یک زمان مصرف می کند. آن را پردازش می کند ؛ آن را تخلیه می کند ؛ و سپس فرآیند را با دسته بعدی تکرار می کند.
وارسینگر گفت:
“هر دسته حدود یک تا دو دقیقه اجرا می شود.” ما فشار را در طول زمان افزایش می دهیم. حجم را در طول زمان کاهش می دهیم و در نهایت از انرژی بسیار کمتری برای تولید همان مقدار آب شیرین استفاده می کنیم. “
اگرچه برخی از کارخانه های آب شیرین کن صنعتی سعی در استفاده از تکنیک های نیمه دسته ای داشته اند. اما هیچ کدام تا کنون سیستم دسته ای کامل را به دلیل وقفه بین دسته ها. اجرا نکرده اند .
وارسینگر گفت:
“برای پمپاژ هر دسته آب به زمان و انرژی لازم است و سپس دسته بعدی آب برای پردازش پمپ می شود.” “صرف این زمان و انرژی به طور کلی سود حاصل از استفاده از فرآیند دسته ای را لغو می کند. به همین دلیل است که ما یک راه حل به نام “اسمز معکوس دسته ای دوبعدی” ایجاد کردیم. “
پیستون دو کاره
در این فرآیند جدید از یک مخزن پیستون استفاده می شود-یک مخزن فشار قوی با یک پیستون در وسط. در حالی که یک طرف پیستون آب دریا را به داخل حلقه پردازش می فرستد ، طرف دیگر پیستون همزمان با دسته بعدی آب دریا در صف پر می شود. هنگامی که یک فرآیند دسته ای به پایان می رسد ، پیستون دسته بعدی آب دریا را به طور یکپارچه به سیستم تزریق می کند. در حالی که به طور همزمان طرف دیگر خود را با دسته بعدی آب دریا در صف پر می کند .و این روند به طور مداوم تکرار می شود.
وارسینگر گفت: “به جای تخلیه کامل پیستون هر بار یا استفاده از مایعات یا گاز دیگر برای تحت فشار قرار دادن پیستون ، ما آن را با دسته بعدی آب دریا پر می کنیم.” وی گفت: “بنابراین به جای اینکه یک طرف پیستون اساساً فضای مرده باشد ، ما از آب دریا استفاده می کنیم تا دوبار از این پیستون خارج شود ، بنابراین تقریباً هیچ وقت خرابی وجود ندارد.
“طبق مدلهای ما ، این سیستم پیشنهادی کمترین مصرف انرژی را برای آب شیرین کن آب دریا ارائه می دهد. این بهترین نقطه عطف در کلاس است. “
سنجش موفقیت اسمز معکوس
ساندرا کوردوبا ، دانشجوی کارشناسی ارشد پردو در مهندسی مکانیک و اولین نویسنده مقاله ، می گوید: “زمان توقف واقعاً چیزی است که می خواهید از آن اجتناب کنید.” اگر مجبور شوید سیستم را بعد از هر چرخه سرویس کنید ، تمام بازده انرژی خود را از دست می دهید. کاهش یا حذف آن زمان خرابی مهمترین چیزی است که اسمز معکوس دسته ای را امکان پذیر می سازد. “
کوردوبا همچنین مدلهای نظری هیدرولیک مورد استفاده در مقاله را توسعه داد.
کوردوبا گفت: “اسمز معکوس یک فرآیند پیچیده است.” برای سنجش موفقیت آن ، باید متغیرهای زیادی را ردیابی کنید: فشار آب ، حجم ، شوری ، نسبت بازیابی ، زمان و انرژی. با استفاده از این مدل ها ، ما توانستیم میزان مناسب فشار را در طول زمان تعیین کنیم تا با حداقل مقدار انرژی به بهترین نتیجه برسیم. “
حجم مخزن پیستون چقدر است؟
بستگی به اندازه سیستم دارد.
وارسینگر گفت: “اسمز معکوس در طیف وسیعی از مقیاس ها عمل می کند.” “خانوارها در هند اغلب دارای سیستم اسمز معکوس میکرو برای خانه خود هستند ، جایی که می توانید آن را در دستان خود نگه دارید. در یک آزمایش سیستم مدل آزمایشی ساخته شد. که مخزن پیستون آن به اندازه یک کپسول آتش نشانی است. در یک گیاه در مقیاس کامل ، می تواند صد فوت طول داشته باشد. اما جالب اینجا است که تجهیزات پیچیده‌ای نیست. این در اصل یک لوله است ، با یک پیستون ضد آب در وسط. اما آن مخزن پیستونی همه چیز را تغییر می دهد. “
نتیجه
مصرف انرژی در اسمز معکوس در چند دهه گذشته، به دلیل استفاده از دستگاه‌های بازیابی انرژی و پمپ‌هایی با بازده بالا و بهبود غشاها، به میزان قابل توجهی کاهش یافته است. با این حال ، برای افزایش بیشتر پذیرش فناوری ، نیازهای انرژی آن هنوز باید کاهش یابد. پیکربندی های اسمز معکوس دسته ای و نیمه دسته ای نشان داده اند که کارآمدترین نوع اسمز معکوس از نظر انرژی هستند. اما از مخلوط کردن آب نمک و زمان خرابی زیاد ناکارآمدی باقی مانده است. در این مطالعه ، ما با جزئیات جدید یک سیستم اسمز معکوس دسته ای بهبود یافته را که از مخزن فشار قوی با پیستون رفت و برگشت استفاده می کند. مدل سازی کردیم. یک پمپ فشار قوی برای پر کردن قسمت غیر فعال مخزن فشار قوی با تغذیه ای که سیستم اسمز معکوس را در مرحله تولید نفوذ تحت فشار قرار می دهد ، استفاده می شود.
سپس خوراک بعنوان سیال کار برای چرخه بعدی سیستم استفاده می شود. علاوه بر این، برای محاسبه رفتار پویای سیستم در شرایط مختلف عملیاتی ، یک مدل شبیه‌سازی شده هیدرولیکی، برای پیش بینی دقیق تحول فشار و سایر پارامترهای مهم در طول زمان توسعه داده شد. مصرف انرژی ویژه ۱.۸۸ کیلووات ساعت بر متر مکعب برای آب دریا با شوری ۳۵ گرم در کیلوگرم ، بازیابی ۵۰ درصد و شار نفوذی ۱۵ LHM محاسبه شد. مقادیر کمتر SEC برای شارهای نفوذپذیری کمتر به دست آمد. علاوه بر این ، زمان خرابی کمتر از ۱۰ of از زمان چرخه بود ، بدون اینکه مصرف انرژی سیستم را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. این طراحی همچنین نشان داد که پتانسیل کاهش زمان راه اندازی را در مقایسه با پیکربندی های دسته‌ای RO را دارد. منبع