La svolta nell'osmosi inversa può portare alla desalinizzazione dell'acqua di mare più efficiente dal punto di vista energetico di sempre

(Notizie Nanowerk) Fare acqua dolce dall'acqua di mare di solito richiede enormi quantità di energia. Il processo più diffuso per la desalinizzazione è chiamato osmosi inversa, che funziona scorrono sull'acqua di mare su una membrana ad alta pressione per rimuovere i minerali.

Ora, gli ingegneri della Purdue University hanno sviluppato una variante del processo chiamata "osmosi inversa batch", che promette una migliore efficienza energetica, attrezzature più durature e la capacità di elaborare acqua di salinità molto più elevata. Potrebbe finire per diventare un produttore di differenze nella sicurezza idrica in tutto il mondo.

L'osmosi inversa è usata in molti paesi; in luoghi aridi come il Medio Oriente, più della metà dell'approvvigionamento di acqua potabile proviene da impianti di desalinizzazione. Ma per mantenere l'elevato livello di pressione richiesto per il processo - fino a 70 volte la pressione atmosferica - un impianto di desalinizzazione deve impiegare un gran numero di pompe e altre apparecchiature. E questo consuma molta energia.

"Circa un terzo del costo a vita di un impianto di desalinizzazione è energia", ha dichiarato David Warsinger, assistente professore di ingegneria meccanica di Purdue. "Anche piccoli miglioramenti al processo - alcuni punti percentuali di differenza - possono far risparmiare centinaia di milioni di dollari e contribuire a tenere la CO2 fuori dall'atmosfera. "

Durante il suo lavoro di dottorato al MIT, Warsinger ha sviluppato per la prima volta l'idea di "osmosi inversa in lotti". Piuttosto che mantenere un flusso costante di acqua di mare a quei livelli di alta pressione, un processo batch assume una quantità prestabilita di acqua contemporaneamente; lo elabora; lo scarica; e poi ripete il processo con il lotto successivo.

"Ogni lotto dura da uno a due minuti", ha detto Warsinger. "Aumentiamo la pressione nel tempo, riduciamo il volume nel tempo e finiamo per usare molta meno energia per produrre la stessa quantità di acqua dolce."

Gli studenti laureati Abhimanyu Das (a sinistra) e Akshay Rao regolano un serbatoio del pistone, il componente chiave di un nuovo processo di desalinizzazione chiamato "osmosi inversa batch a doppia azione". (Immagine: Jared Pike, Purdue University)                

Sebbene alcuni impianti di desalinizzazione abbiano tentato di utilizzare tecniche di semibatch, nessuno ha mai implementato un sistema batch completo, in parte a causa delle interruzioni di tempo tra i lotti.

"Ci vuole tempo ed energia per pompare via ogni lotto d'acqua, quindi pompare il prossimo lotto di acqua per la lavorazione", ha detto Warsinger. "Spendere quel tempo ed energia in genere annulla i guadagni di efficienza che si oserebbe dall'utilizzo del processo batch. Ecco perché abbiamo sviluppato una soluzione chiamata "osmosi inversa batch a doppia azione".

Pistone doppio servizio

Questo nuovo processo utilizza un serbatoio a pistone: un contenitore ad alta pressione con un pistone al centro. Mentre un lato del pistone invia l'acqua di mare in avanti nel circuito di lavorazione, l'altro lato del pistone si riempie contemporaneamente con il successivo lotto di acqua di mare nella coda. Al termine di un processo batch, il pistone inietta senza soluzione di continuità il successivo lotto di acqua di mare nel sistema riempiendo contemporaneamente l'altro lato con il successivo lotto di acqua di mare nella coda e il processo si ripete continuamente.

"Invece di svuotare completamente il pistone ogni volta o utilizzare altro liquido o gas per pressurizzare il pistone, lo stiamo riempiendo con il prossimo lotto di acqua di mare", ha detto Warsinger. "Quindi, piuttosto che un lato del pistone è essenzialmente lo spazio morto, stiamo usando l'acqua di mare stessa per ottenere il doppio servizio da questo pistone, quindi non ci sono quasi tempi di inattività.

"Secondo i nostri modelli, questo sistema proposto offre il minor consumo energetico di sempre per la desalinizzazione dell'acqua di mare. È una pietra miliare best-in-class.

La loro ricerca è stata pubblicata sudissalazione("Configurazione a doppia osmosi inversa batch per la migliore efficienza della categoria e bassi tempi di inattività").

"I tempi di inattività sono davvero qualcosa che vuoi evitare", ha detto Sandra Cordoba, studentessa di master Purdue in ingegneria meccanica e prima autrice del documento. "Se devi mantenere il sistema dopo ogni ciclo, perdi tutta la tua efficienza energetica. Ridurre o eliminare tali tempi di inattività è la cosa chiave che rende fattibile l'osmosi inversa batch.

Cordoba sviluppò anche i modelli idraulici teorici utilizzati nella carta.

"L'osmosi inversa è un processo complesso", ha detto Cordoba. "Per valutarne il successo, è necessario tenere traccia di molte variabili: pressione dell'acqua, volume, salinità, rapporto di recupero, tempo ed energia. Con questi modelli, siamo stati in grado di determinare la giusta quantità di pressione nel tempo per ottenere i migliori risultati utilizzando la quantità minima di energia.

Quanto è grande il serbatoio del pistone? Dipende dalle dimensioni del sistema.

"L'osmosi inversa opera su una vasta gamma di scale", ha detto Warsinger. "Le famiglie in India hanno spesso un micro sistema di osmosi inversa per la propria casa, dove è possibile tenerlo tra le mani. Per i nostri esperimenti, abbiamo costruito un sistema di modelli in cui il serbatoio del pistone ha le dimensioni di un estintore. In una pianta su larga scala, potrebbe essere lunga un centinaio di metri. Ma il bello è che non è un'attrezzatura complessa; è essenzialmente un tubo, con un pistone a tenuta d'acqua al centro. Ma quel serbatoio del pistone cambia tutto.

Il laboratorio di Warsinger ha utilizzato questo sviluppo di lotti a doppia azione per alimentare diversi nuovi progressi nella desalinizzazione. Abhimanyu Das, uno studente di dottorato purdue in ingegneria meccanica, ha pubblicato una ricerca che descrive una variante del processo chiamata "osmosi inversa del controflusso batch". Ricircolando alcune concentrazioni di acqua su entrambi i lati della membrana, il processo di Das si dimostra essere il processo di desalinizzazione più efficiente dal punto di vista energetico per l'acqua ad alta salinità, pur richiedendo meno componenti. E lo studente del master Purdue Michael Roggenburg ha pubblicato una ricerca che mostra che una combinazione di osmosi inversa in lotti ed energia rinnovabile potrebbe presumibilmente fornire acqua dolce all'intero confine di 1.954 miglia tra Stati Uniti e Messico.

"La sicurezza idrica è un problema enorme in tutto il mondo, su cui ho lavorato per tutta la mia carriera", ha detto Warsinger. "Questi risultati con osmosi inversa in batch sono davvero entusiasmanti. Se portiamo il costo un po 'giù, allora la desalinizzazione diventa un'opzione praticabile per più posti. Potrebbe essere trasformativo.