Gall torri tir newydd mewn osmosis cefn arwain at ddihalwyno dŵr y môr mwyaf effeithlon o ran ynni erioed

(Newyddion Nanowerk) Mae gwneud dŵr ffres allan o ddŵr y môr fel arfer yn gofyn am lawer iawn o egni. Gelwir y broses fwyaf eang ar gyfer dihalwyno yn osmosis i'r gwrthwyneb, sy'n gweithio trwy lifo dŵr y môr dros bilen ar bwysedd uchel i gael gwared ar y mwynau.

Nawr, mae peirianwyr Prifysgol Purdue wedi datblygu amrywiad o'r broses o'r enw “osmosis gwrthdroi swp,” sy'n addo gwell effeithlonrwydd ynni, offer sy'n para'n hirach a'r gallu i brosesu dŵr â halltedd llawer uwch. Gallai arwain at wneuthurwr gwahaniaeth ym maes diogelwch dŵr ledled y byd.

Defnyddir osmosis cefn mewn llawer o wledydd; mewn lleoedd cras fel y Dwyrain Canol, mae mwy na hanner y cyflenwadau dŵr yfed ffres yn dod o gyfleusterau dihalwyno. Ond er mwyn cynnal y lefel uchel o bwysau sy'n ofynnol ar gyfer y broses - hyd at 70 gwaith pwysau atmosfferig - rhaid i ffatri ddihalwyno gyflogi nifer fawr o bympiau ac offer arall. Ac mae hynny'n defnyddio llawer o egni.

“Mae tua thraean o gost oes planhigyn dihalwyno yn ynni,” meddai David Warsinger, athro cynorthwyol Purdue mewn peirianneg fecanyddol. “Gall hyd yn oed gwelliannau bach i’r broses - ychydig bwyntiau canran o wahaniaeth - arbed cannoedd o filiynau o ddoleri a helpu i gadw CO2 allan o’r awyrgylch.”

Yn ystod ei waith doethuriaeth yn MIT, datblygodd Warsinger y syniad yn gyntaf o “osmosis gwrthdroi swp.” Yn hytrach na chadw llif cyson o ddŵr y môr ar y lefelau gwasgedd uchel hynny, mae proses swp yn cymryd swm penodol o ddŵr i mewn ar yr un pryd; yn ei brosesu; yn ei ollwng; ac yna'n ailadrodd y broses gyda'r swp nesaf.

“Mae pob swp yn rhedeg am oddeutu munud i ddau,” meddai Warsinger. “Rydyn ni'n rampio'r pwysau dros amser, yn lleihau'r cyfaint dros amser, ac rydyn ni'n defnyddio llawer llai o egni i gynhyrchu'r un faint o ddŵr croyw.”

Mae myfyrwyr graddedig Abhimanyu Das (chwith) ac Akshay Rao yn addasu tanc piston, y gydran allweddol i broses ddihalwyno newydd o'r enw “osmosis gwrthdroi swp actio dwbl.” (Delwedd: Jared Pike, Prifysgol Purdue)

Er bod rhai planhigion dihalwyno wedi ceisio defnyddio technegau semibatch, nid oes yr un erioed wedi gweithredu system swp lawn - yn rhannol oherwydd yr egwyliau amser rhwng sypiau.

“Mae'n cymryd amser ac egni i bwmpio pob swp o ddŵr allan, ac yna pwmpio'r swp nesaf o ddŵr i mewn i'w brosesu,” meddai Warsinger. “Mae treulio’r amser a’r egni hwnnw yn gyffredinol yn canslo’r enillion effeithlonrwydd y byddech yn eu cael o ddefnyddio’r broses swp. Dyna pam y gwnaethom ddatblygu datrysiad o'r enw 'osmosis gwrthdroi swp actio dwbl.' ”

Piston dyletswydd ddwbl

Mae'r broses newydd hon yn defnyddio tanc piston - llong bwysedd uchel gyda piston yn y canol. Tra bod un ochr i'r piston yn anfon dŵr y môr ymlaen i'r ddolen brosesu, mae ochr arall y piston ar yr un pryd yn llenwi â'r swp nesaf o ddŵr y môr yn y ciw. Pan ddaw un broses swp i ben, mae'r piston yn chwistrellu'r swp nesaf o ddŵr y môr i'r system wrth lenwi ei ochr arall gyda'r swp nesaf o ddŵr y môr yn y ciw, ac mae'r broses yn ailadrodd yn barhaus.

“Yn lle gwagio’r piston yn llawn bob tro neu ddefnyddio rhywfaint o hylif neu nwy arall i roi pwysau ar y piston, rydyn ni’n ei lenwi gyda’r swp nesaf o ddŵr y môr,” meddai Warsinger. “Felly yn hytrach na bod un ochr i’r piston yn ofod marw yn y bôn, rydyn ni’n defnyddio dŵr y môr ei hun i gael dyletswydd ddwbl allan o’r piston hwn, felly does bron dim amser segur.

“Yn ôl ein modelau, mae’r system arfaethedig hon yn cynnig y defnydd isaf o ynni erioed ar gyfer dihalwyno dŵr y môr. Mae'n garreg filltir orau yn y dosbarth. ”

Cyhoeddwyd eu hymchwil ynDihalwyno (GG quot; Cyfluniad osmosis gwrthdroi swp actio dwbl ar gyfer effeithlonrwydd gorau yn y dosbarth a dyfynbris&amser segur isel;).

“Mae amser segur mewn gwirionedd yn rhywbeth rydych chi am ei osgoi,” meddai Sandra Cordoba, myfyriwr meistr Purdue mewn peirianneg fecanyddol ac awdur cyntaf y papur. “Os oes rhaid i chi wasanaethu’r system ar ôl pob cylch, byddwch yn colli eich holl effeithlonrwydd ynni. Lleihau neu ddileu'r amser segur hwnnw yw'r peth allweddol sy'n gwneud osmosis gwrthdroi swp yn ymarferol. "

Datblygodd Cordoba hefyd y modelau hydrolig damcaniaethol a ddefnyddir yn y papur.

“Mae osmosis cefn yn broses gymhleth,” meddai Cordoba. “Er mwyn mesur ei lwyddiant, rhaid i chi olrhain llawer o newidynnau: pwysedd dŵr, cyfaint, halltedd, cymhareb adfer, amser ac egni. Gyda'r modelau hyn, roeddem yn gallu pennu'r pwysau cywir dros amser i gyflawni'r canlyniadau gorau gan ddefnyddio'r lleiafswm o egni. "

Pa mor fawr yw'r tanc piston? Mae'n dibynnu ar faint y system.

“Mae osmosis cefn yn gweithredu ar ystod eang o raddfeydd,” meddai Warsinger. “Yn aml mae gan aelwydydd yn India system osmosis gwrthdroi meicro ar gyfer eu cartref eu hunain, lle gallech chi ei ddal yn eich dwylo. Ar gyfer ein harbrofion, rydym wedi adeiladu system fodel lle mae'r tanc piston tua maint diffoddwr tân. Mewn planhigyn ar raddfa lawn, gallai fod yn gan troedfedd o hyd. Ond ei harddwch yw nad yw'n ddarn cymhleth o offer; pibell ydyw yn y bôn, gyda piston dŵr-dynn yn y canol. Ond mae'r tanc piston hwnnw'n newid popeth. ”

Mae labordy Warsinger wedi defnyddio'r datblygiad swp actio dwbl hwn i danio sawl cynnydd newydd wrth ddihalwyno. Abhimanyu Das, Purdue Ph.D. myfyriwr mewn peirianneg fecanyddol, wedi cyhoeddi ymchwil sy'n disgrifio amrywiad o'r broses o'r enw “osmosis gwrthdroi gwrth-lif swp.” Trwy ail-gylchredeg crynodiadau penodol o ddŵr ar ddwy ochr y bilen, dangosir mai proses Das yw'r broses ddihalwyno fwyaf effeithlon o ran ynni ar gyfer dŵr halltedd uchel, tra bod angen llai o gydrannau ar yr un pryd. Ac mae myfyriwr meistr Purdue, Michael Roggenburg, wedi cyhoeddi ymchwil sy'n dangos y gallai cyfuniad o osmosis gwrthdroi swp ac ynni adnewyddadwy gyflenwi dŵr ffres i'r ffin 1,954 milltir gyfan rhwng yr UD a Mecsico.

“Mae diogelwch dŵr yn fater enfawr ledled y byd, ac rydw i wedi treulio fy ngyrfa gyfan yn gweithio arno,” meddai Warsinger. “Mae'r canlyniadau hyn gydag osmosis gwrthdroi swp yn gyffrous iawn. Os byddwn yn gostwng y gost ychydig yn unig, yna daw dihalwyno yn opsiwn ymarferol ar gyfer mwy o leoedd. Fe allai fod yn drawsnewidiol. ”