Doorbraak in omgekeerde osmose kan leiden tot de meest energie-efficiënte zeewater ontzilting ooit

(Nanowerk Nieuws) Het maken van zoet water uit zeewater vereist meestal enorme hoeveelheden energie. Het meest voorkomende proces voor ontzilting wordt omgekeerde osmose genoemd, die werkt door zeewater onder hoge druk over een membraan te stromen om de mineralen te verwijderen.

Nu hebben ingenieurs van de Purdue University een variant van het proces ontwikkeld die "batch reverse osmosis" wordt genoemd, wat een betere energie-efficiëntie, duurzamere apparatuur en het vermogen om water met een veel hoger zoutgehalte te verwerken belooft. Het zou een verschilmaker kunnen worden in waterveiligheid over de hele wereld.

Omgekeerde osmose wordt in veel landen gebruikt; in droge plaatsen zoals het Midden-Oosten komt meer dan de helft van de zoetwatervoorziening uit ontziltingsinstallaties. Maar om het hoge drukniveau te behouden dat nodig is voor het proces – tot 70 keer atmosferische druk – moet een ontziltingsinstallatie grote aantallen pompen en andere apparatuur gebruiken. En dat verbruikt veel energie.

"Ongeveer een derde van de levensduurkosten van een ontziltingsinstallatie is energie", zegt David Warsinger, een Purdue-universitair docent werktuigbouwkunde. "Zelfs kleine verbeteringen in het proces – een paar procentpunten verschil – kunnen honderden miljoenen dollars besparen en helpen om CO2 uit de atmosfeer te houden."

Tijdens zijn promotiewerk aan mit ontwikkelde Warsinger voor het eerst het idee van "batch omgekeerde osmose". In plaats van een constante stroom zeewater op die hoge drukniveaus te houden, neemt een batchproces een vaste hoeveelheid water tegelijk op; verwerkt het; ontlaadt het; en herhaalt vervolgens het proces met de volgende batch.

"Elke batch duurt ongeveer één tot twee minuten," zei Warsinger. "We verhogen de druk in de loop van de tijd, verminderen het volume in de loop van de tijd en we gebruiken uiteindelijk veel minder energie om dezelfde hoeveelheid zoet water te produceren."

Afgestudeerde studenten Abhimanyu Das (links) en Akshay Rao passen een zuigertank aan, het belangrijkste onderdeel van een nieuw ontziltingsproces genaamd "dubbelwerkende batch omgekeerde osmose." (Afbeelding: Jared Pike, Purdue University)                

Hoewel sommige ontziltingsinstallaties hebben geprobeerd om semibatch-technieken te gebruiken, heeft niemand ooit een volledig batchsysteem geïmplementeerd - deels vanwege de tijdsonderbrekingen tussen batches.

"Het kost tijd en energie om elke partij water eruit te pompen en vervolgens de volgende partij water in te pompen voor verwerking," zei Warsinger. "Het besteden van die tijd en energie annuleert over het algemeen de efficiëntiewinsten die je zou krijgen door het batchproces te gebruiken. Daarom ontwikkelden we een oplossing genaamd 'dubbelwerkende batch omgekeerde osmose.'"

Dubbele zuiger

Dit nieuwe proces maakt gebruik van een zuigertank - een hogedrukvat met een zuiger in het midden. Terwijl de ene kant van de zuiger zeewater naar voren stuurt in de verwerkingslus, vult de andere kant van de zuiger zich tegelijkertijd met de volgende partij zeewater in de wachtrij. Wanneer het ene batchproces eindigt, injecteert de zuiger naadloos de volgende partij zeewater in het systeem terwijl hij tegelijkertijd de andere kant vult met de volgende partij zeewater in de wachtrij en het proces zich continu herhaalt.

"In plaats van de zuiger elke keer volledig te legen of een andere vloeistof of gas te gebruiken om de zuiger onder druk te zetten, vullen we hem met de volgende partij zeewater," zei Warsinger. "Dus in plaats van dat één kant van de zuiger in wezen dode ruimte is, gebruiken we het zeewater zelf om dubbele dienst uit deze zuiger te halen, dus er is bijna geen downtime.

"Volgens onze modellen biedt dit voorgestelde systeem het laagste energieverbruik ooit voor ontzilting van zeewater. Het is een topmijlpaal."

Hun onderzoek is gepubliceerd inontzilting("Dubbelwerkende batch omgekeerde osmose configuratie voor de beste efficiëntie in zijn klasse en lage downtime ").

"Downtime is echt iets dat je wilt vermijden," zei Sandra Cordoba, een Purdue masterstudent in werktuigbouwkunde en eerste auteur van het artikel. "Als je het systeem na elke cyclus moet onderhouden, verlies je al je energie-efficiëntie. Het verminderen of elimineren van die downtime is het belangrijkste dat batch omgekeerde osmose haalbaar maakt."

Cordoba ontwikkelde ook de theoretische hydraulische modellen die in het papier worden gebruikt.

"Omgekeerde osmose is een complex proces," zei Cordoba. "Om het succes te meten, moet je veel variabelen volgen: waterdruk, volume, zoutgehalte, terugwinningsverhouding, tijd en energie. Met deze modellen konden we in de loop van de tijd de juiste hoeveelheid druk bepalen om met de minimale hoeveelheid energie de beste resultaten te behalen."

Hoe groot is de zuigertank? Het hangt af van de grootte van het systeem.

"Omgekeerde osmose werkt op een breed scala aan schalen," zei Warsinger. "Huishoudens in India hebben vaak een micro-omgekeerde osmosesysteem voor hun eigen huis, waar je het in je handen kunt houden. Voor onze experimenten hebben we een modelsysteem gebouwd waarbij de zuigertank ongeveer zo groot is als een brandblusser. In een fabriek op ware omvang kan het 30 meter lang zijn. Maar het mooie ervan is dat het geen complex apparaat is; het is in wezen een pijp, met een waterdichte zuiger in het midden. Maar die zuigertank verandert alles."

Warsinger's lab heeft deze dubbelwerkende batchontwikkeling gebruikt om verschillende nieuwe ontwikkelingen in ontzilting aan te wakkeren. Abhimanyu Das, een Purdue Ph.D. student in werktuigbouwkunde, heeft onderzoek gepubliceerd dat een variant van het proces beschrijft dat "batch counterflow omgekeerde osmose" wordt genoemd. Door bepaalde concentraties water aan beide zijden van het membraan te recirculeren, blijkt het proces van Das het meest energie-efficiënte ontziltingsproces voor water met een hoog zoutgehalte te zijn, terwijl er minder componenten nodig zijn. En Purdue masterstudent Michael Roggenburg heeft onderzoek gepubliceerd waaruit blijkt dat een combinatie van batch omgekeerde osmose en hernieuwbare energie mogelijk zoet water kan leveren aan de hele 1.954 mijl lange grens tussen de VS en Mexico.

"Waterveiligheid is een enorm probleem over de hele wereld, waar ik mijn hele carrière aan heb gewerkt," zei Warsinger. "Deze resultaten met batch omgekeerde osmose zijn echt spannend. Als we de kosten een beetje verlagen, dan wordt ontzilting een haalbare optie voor meer plaatsen. Het kan transformerend zijn."