L'avenç en l'osmosi inversa pot conduir a la dessalinització d'aigua de mar més eficient energèticament mai

(Notícies Nanowerk) Fer aigua dolça fora de l'aigua de mar sol requerir grans quantitats d'energia. El procés més estès per a la dessalinització s'anomena osmosi inversa, que funciona fluint aigua de mar sobre una membrana a alta pressió per eliminar els minerals.

Ara, els enginyers de la Universitat Purdue han desenvolupat una variant del procés anomenat "osmosi inversa per lots", que promet una millor eficiència energètica, equips més duradors i la capacitat de processar aigua de molta més salinitat. Podria acabar amb un fabricant de diferències en la seguretat de l'aigua a tot el món.

L'osmosi inversa s'utilitza en molts països; en llocs àrids com l'Orient Mitjà, més de la meitat dels subministraments d'aigua potable provenen d'instal·lacions dessalinitzadores. Però per mantenir l'alt nivell de pressió necessari per al procés –fins a 70 vegades la pressió atmosfèrica– una planta dessalinitzadora ha d'emprar un gran nombre de bombes i altres equips. I això consumeix molta energia.

"Al voltant d'un terç del cost de vida d'una dessalinitzadora és energia", va dir David Warsinger, professor assistent de Purdue d'enginyeria mecànica. "Fins i tot petites millores en el procés , uns quants punts percentuals de diferència, poden estalviar centenars de milions de dòlars i ajudar a mantenir el CO2 fora de l'atmosfera."

Durant el seu treball de doctorat al MIT, Warsinger va desenvolupar per primera vegada la idea d'"osmosi inversa per lots". En lloc de mantenir un flux constant d'aigua de mar a aquests nivells d'alta pressió, un procés per lots pren una quantitat fixa d'aigua alhora; el processa; el descarregui; i després repeteix el procés amb el següent lot.

"Cada lot dura entre un i dos minuts", va dir Warsinger. "Augmentem la pressió amb el temps, reduïm el volum amb el temps i acabem utilitzant molta menys energia per produir la mateixa quantitat d'aigua dolça."

Els estudiants graduats Abhimanyu Das (esquerra) i Akshay Rao ajusten un tanc de pistó, el component clau d'un nou procés de dessalinització anomenat "osmosi inversa de lots de doble actuació". (Imatge: Jared Pike, Universitat Purdue)                

Tot i que algunes plantes dessalinitzadores han intentat utilitzar tècniques de semibatch, cap ha implementat mai un sistema de lots complet, en part a causa de les pauses temporals entre lots.

"Es necessita temps i energia per bombejar cada lot d'aigua, i després bombejar el següent lot d'aigua per al seu processament", va dir Warsinger. "Gastar aquest temps i energia generalment cancel·la els guanys d'eficiència que obtindries d'utilitzar el procés per lots. Per això hem desenvolupat una solució anomenada "osmosi inversa de lots de doble actuació".

Pistó de doble deure

Aquest nou procés utilitza un tanc de pistó: un vas d'alta pressió amb un pistó al mig. Mentre que un costat del pistó envia l'aigua de mar cap endavant en el bucle de processament, l'altre costat del pistó s'omple simultàniament amb el següent lot d'aigua de mar a la cua. Quan un procés de lot acaba, el pistó injecta a la perfecció el següent lot d'aigua de mar al sistema mentre s'omple simultàniament l'altre costat amb el següent lot d'aigua de mar a la cua, i el procés es repeteix contínuament.

"En lloc de buidar completament el pistó cada vegada o utilitzar algun altre líquid o gas per pressionar el pistó, l'estem omplint amb el següent lot d'aigua de mar", va dir Warsinger. "Així que en lloc que un costat del pistó sigui essencialment un espai mort, estem utilitzant l'aigua de mar per treure el doble deure d'aquest pistó, de manera que gairebé no hi ha temps d'inactivitat.

"Segons els nostres models, aquest sistema proposat ofereix el menor consum energètic mai per a la dessalinització d'aigua de mar. És una fita de millor classe".

La seva recerca ha estat publicada endessalinització("Configuració de l'osmosi inversa de doble acció per a una millor eficiència de classe i un temps d'inactivitat baix ").

"El temps d'inactivitat és realment una cosa que vols evitar", va dir Sandra Cordoba, estudiant de màster Purdue en enginyeria mecànica i primera autora del treball. "Si has de donar servei al sistema després de cada cicle, perds tota la teva eficiència energètica. Reduir o eliminar aquest temps d'inactivitat és el més important que fa factible l'osmosi inversa per lots."

Còrdova també va desenvolupar els models teòrics hidràulics utilitzats en el paper.

"L'osmosi inversa és un procés complex", va dir Còrdova. "Per calibrar el seu èxit, cal fer un seguiment de moltes variables: pressió de l'aigua, volum, salinitat, relació de recuperació, temps i energia. Amb aquests models, hem pogut determinar la quantitat adequada de pressió al llarg del temps per aconseguir els millors resultats utilitzant la quantitat mínima d'energia."

Com de gran és el tanc de pistó? Depèn de la mida del sistema.

"L'osmosi inversa opera a una àmplia gamma d'escales", va dir Warsinger. "Les llars de l'Índia sovint tenen un sistema d'osmosi micro inversa per a la seva pròpia llar, on es podria mantenir a les seves mans. Per als nostres experiments, hem construït un sistema model on el tanc de pistó és sobre la mida d'un extintor. En una planta a gran escala, podria ser de cent peus de llarg. Però la bellesa d'això és que no és una peça complexa d'equipament; és essencialment una canonada, amb un pistó estanc al mig. Però aquest tanc de pistó ho canvia tot."

El laboratori de Warsinger ha utilitzat aquest desenvolupament per lots de doble actuació per alimentar diversos nous avenços en dessalinització. Abhimanyu Das, estudiant de doctorat Purdue en enginyeria mecànica, ha publicat investigacions que descriuen una variant del procés anomenada "osmosi inversa de contraflux per lots". En recircular certes concentracions d'aigua a banda i banda de la membrana, es demostra que el procés de Das és el procés de dessalinització més eficient energèticament per a l'aigua d'alta salinitat, alhora que requereix menys components. I l'estudiant de màster purdue Michael Roggenburg ha publicat investigacions que demostren que una combinació d'osmosi inversa per lots i energies renovables podria proporcionar aigua dolça a tota la frontera de 1.954 milles entre els Estats Units i Mèxic.

"La seguretat de l'aigua és un gran problema a tot el món, en el qual he passat tota la meva carrera treballant", va dir Warsinger. "Aquests resultats amb osmosi inversa per lots són realment emocionants. Si baixem una mica el cost, la dessalinització es converteix en una opció viable per a més llocs. Podria ser transformador."