研究生Abhimanyu Das(左)和阿克谢·拉奥调整了一个活塞罐，这是一种称为“双作用间歇反渗透”的新型脱盐工艺的关键部件学分:普渡大学图片/杰瑞德·派克用海水制造淡水通常需要巨大的能量。最广泛的脱盐过程被称为反渗透，它通过使海水在高压下流过膜来去除矿物质。现在，普渡大学的工程师已经开发出一种叫做“分批反渗透”的工艺变体，这种工艺有望获得更好的能效、更持久的设备以及处理高得多的盐度的水的能力。它最终可能会在世界范围内的水安全问题上有所作为。
许多国家都使用反渗透；在像中东这样的干旱地区，超过一半的新鲜饮用水供应来自海水淡化设施。但是，为了维持该过程所需的高压力水平——高达大气压力的70倍——海水淡化厂必须使用大量的泵和其他设备。这需要大量的能量。
普渡大学机械工程助理教授大卫·沃辛格(David Warsinger)说:“海水淡化厂一生的成本中，大约有三分之一是能源。“即使是对工艺的微小改进——几个百分点的差异——也能节省数亿美元，并有助于防止二氧化碳进入大气。”
在麻省理工学院攻读博士期间，Warsinger首次提出了“批量反渗透”的想法分批法不是在高压水平下保持恒定的海水流量，而是一次吸收一定量的水；处理它；排出它；然后对下一批重复该过程。
“每批大约运行1到2分钟，”Warsinger说。“随着时间的推移，我们增加了压力，减少了体积，最终我们用更少的能源生产同样数量的淡水。”
尽管一些海水淡化厂试图使用半间歇技术，但没有一家工厂实施过全间歇系统——部分原因是间歇之间的时间间隔。
Warsinger说:“抽出每一批水，然后泵入下一批水进行处理，需要时间和精力。“花费这些时间和精力通常会抵消使用批处理所带来的效率提升。这就是为什么我们开发了一种叫做“双作用间歇反渗透”的解决方案。"
双作用活塞
这种新方法使用活塞罐——一种中间有活塞的高压容器。当活塞的一侧将海水向前送入处理回路时，活塞的另一侧同时充满队列中的下一批海水。当一个批处理过程结束时，活塞无缝地将下一批海水注入系统，同时用队列中的下一批海水填充其另一侧，并且该过程连续重复。
Warsinger说:“我们不是每次都将活塞完全排空，或者使用一些其他液体或气体给活塞加压，而是用下一批海水填充它。“因此，我们不是让活塞的一侧成为本质上的死空间，而是利用海水本身让这个活塞实现双重任务，因此几乎没有停机时间。
“根据我们的模型，这个提议的系统为海水淡化提供了有史以来最低的能耗。这是一个一流的里程碑。”
他们的研究发表在《脱盐》杂志上。
该论文的第一作者、普渡大学机械工程硕士研究生桑德拉·科尔多瓦(Sandra Cordoba)说:“停机时间真的是你想要避免的事情。“如果您必须在每个周期后维修系统，您将失去所有能效。减少或消除停机时间是批量反渗透可行的关键。”
科尔多瓦还开发了论文中使用的理论水力模型。
科尔多瓦说:“反渗透是一个复杂的过程。“为了衡量它的成功，你必须跟踪许多变量:水压、体积、盐度、采收率、时间和能量。有了这些模型，我们能够随着时间的推移确定合适的压力，以最小的能量获得最佳结果。”
活塞罐有多大？这取决于系统的大小。
“反渗透的作用范围很广，”Warsinger说。“印度的家庭通常有一个微型反渗透系统，你可以把它拿在手中。对于我们的实验，我们已经建立了一个模型系统，其中活塞箱大约有灭火器那么大。在一个完整的工厂里，它可能有一百英尺长。但它的美妙之处在于它不是一件复杂的设备；它本质上是一根管子，中间有一个不透水的活塞。但是活塞罐改变了一切。”
Warsinger的实验室已经使用这种双作用批量开发来推动海水淡化的几项新进展。普渡大学机械工程专业的博士学生Abhimanyu Das发表了一项研究，描述了一种称为“分批逆流反渗透”的工艺变体通过在膜的两侧再循环一定浓度的水，Das的工艺被证明是高盐度水的最节能的脱盐工艺，同时需要更少的组件。普渡大学硕士研究生迈克尔·罗根伯格(Michael Roggenburg)发表的研究表明，批量反向os mosis和可再生能源的结合可以向美国和墨西哥之间1954英里的整个边境输送淡水。
“水安全是全世界的一个巨大问题，这是我整个职业生涯都在努力解决的问题，”Warsinger说。“批量反渗透的这些结果确实令人兴奋。如果我们把成本降低一点点，那么海水淡化将成为更多地方可行的选择。这可能会带来变革。”
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